Лабораторные исследования геомеханических свойств горных пород с больших глубин
Определение деформационно-прочностных свойств горных пород (богатая руда, медистая руда, вкрапленная руда, роговик, известняк) с больших глубин. Корреляционная зависимость между значениями относительного изменения сцепления и пределов прочности.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.12.2019 |
| Размер файла | 1,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лабораторные исследования геомеханических свойств горных пород с больших глубин
Усольцева О.М., Еременко А.А.,
Шапошник Ю.Н., Цой П.А., Семенов В.Н.
Аннотация
В работе представлено лабораторное исследование деформационно-прочностных свойств образцов горных пород с больших глубин. Определены деформационно-прочностные свойства пород (богатая руда, медистая руда, вкрапленная руда, роговик, известняк) при растяжении, одноосном и объемном сжатии, построены паспорта прочности. Проанализировано изменение величины сцепления горных пород, определенное по огибающей кругов Мора при растяжении и одноосном сжатии; при растяжении и объемном сжатии. Показано наличие сильной корреляционной зависимости между значениями относительного изменения сцепления и относительного изменения пределов прочности одноосного сжатия и объемного сжатия.
Подземные строительные и горнодобывающие отрасли промышленности сталкиваются со многими проблемами геомеханики массива горных пород, поскольку работы выполняются на все больших глубинах. Чтобы предотвратить или свести к минимуму ненужные задержки и затраты при разработке и добыче полезных ископаемых, необходимо более достоверно предсказывать поведение массива горных пород. Известно, что для горных пород на больших глубинах реализуется сложное напряженное состояние, что необходимо учитывать в технологиях подземной разработки. Ожидаемый уровень напряжения на этих глубинах может превышать предел прочности на одноосное сжатие, полученный в лабораторных испытаниях. В связи с этим паспорт прочности породы, построенный по данным растяжения и одноосного сжатия, может не корректно характеризовать прочностные свойства пород на больших глубинах. Поэтому возникает необходимость охарактеризовать поведение горных пород при различных напряженных состояниях, в частности, при объемном сжатии с высоким уровнем бокового давления.
Целью данного исследования было определить деформационно-прочностные свойства 5-и типов пород: богатая руда, медистая руда, вкрапленная руда, роговик, известняк, взятых с глубины отбора 1600 м, при различных видах нагружения (растяжение, одноосное сжатие, трехосное сжатие), построить паспорта прочности пород.
Испытания образцов керна проводились на сервогидравлическом прессе INSTRON 8802, программа нагружения задавалась по перемещению захватов, скорость составляла 0,1 мм/с. В процессе нагружения образца керна производилась непрерывная запись в компьютерный файл изменение длины образца, изменения диаметра, осевой нагрузки; при объемном сжатии дополнительно - бокового давления. Подготовка образцов керна, проведение испытаний, определение деформационно-прочностных характеристик соответствовало [1-5]. Испытания проводились на следующих горных породах: богатая руда, медистая руда, вкрапленная руда, роговик, известняк. На рис.1а-д представлены фотографии горных пород для испытаний.
Испытания образцов при одноосном и объемном сжатии проводились на цилиндрических образцах длиной 60 мм, диаметром 30 мм, при растяжении - длиной 30 мм, диаметром 30 мм. На образцах длиной 60 мм, диаметром 30 мм определены динамический модуль Юнга и динамический коэффициент Пуассона. Фотографии образцов кернов приведены на рис. 2 а-д.
деформационный прочностный горная порода
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
а б в
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
г д
Рис.1. Фотографии горных пород для испытаний: богатая руда - а, медистая руда - б, вкрапленная руда - в, роговик - г, известняк - д.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
а б в
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
г д
Рис. 2. Фотографии образцов керна до испытаний: богатая руда - а, медистая руда - б, вкрапленная руда - в, роговик - г, известняк - д.
Испытания на объемное сжатие производили по схеме Кармана: одновременное нагружение продольной силой и боковым давлением (гидростатика) до заданного значения бокового давления, для данных экспериментов - 5 МПа, далее при постоянном боковом давлении увеличивали осевую силу до разрушения образца керна. Для каждого образца керна была построена полная диаграмма деформирования «продольное напряжение - продольная деформация», «продольное напряжение - поперечная деформация». При одноосном и объемном сжатии определены деформационно-прочностные характеристики образцов керна: предел прочности, модуль деформации, коэффициент поперечной деформации. Без нагрузки были определены скорость распространения упругих волн, динамический модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Указанные характеристики (осредненные значения для нескольких испытаний) приводятся в табл. 1.
Таблица 1. Результаты определения деформационно-прочностных характеристик образцов керна: средние значения предела прочности (ув), статического модуля деформации (Ест), коэффициента поперечной деформации (нст), динамического модуля Юнга (Един), коэффициента Пуассона (ндин).
|
№ п.п. |
Наименование породы |
Вид испытания |
Предел прочности, МПа |
Модуль деформации Е, ГПа |
Коэффициент поперечной деформации н |
|
|
1 |
Богатая руда |
Одноосное сжатие |
95 |
12,406 |
0,219 |
|
|
Объемное сжатие 5 МПа |
160 |
18,264 |
0,159 |
|||
|
Растяжение |
8 |
- |
- |
|||
|
2 |
Медистая руда |
Одноосное сжатие |
150 |
9,684 |
0,225 |
|
|
Объемное сжатие 5 МПа |
230 |
15,944 |
0,168 |
|||
|
Растяжение |
23 |
- |
- |
|||
|
3 |
Вкрапленная руда |
Одноосное сжатие |
90 |
13,169 |
0,208 |
|
|
Объемное сжатие 5 МПа |
127 |
17,221 |
0,196 |
|||
|
Растяжение |
17 |
- |
- |
|||
|
4 |
Роговик |
Одноосное сжатие |
103 |
11,562 |
0,205 |
|
|
Объемное сжатие 5 МПа |
157 |
17,979 |
0,173 |
|||
|
Растяжение |
27 |
- |
- |
|||
|
5 |
Известняк |
Одноосное сжатие |
67 |
9,601 |
0,219 |
|
|
Объемное сжатие 5 МПа |
121 |
14,977 |
0,175 |
|||
|
Растяжение |
12 |
- |
- |
Паспортом прочности породы является кривая, огибающая предельные круги напряжений Мора в координатах нормальных и касательных напряжений. Согласно [5, 6] паспорт прочности строится по следующим методикам: 1) по предельным кругам растяжения и одноосного сжатия; 2) к указанным выше предельным кругам добавляются 3 предельных круга объемного сжатия с различными уровнями бокового давления. Однако, как показывают экспериментальные данные, в ряде случаев оказывается невозможным провести плавную кривую, огибающую одновременно все 5 полуокружностей. Приходится не учитывать либо данные одноосного сжатия, либо данные объемного сжатия, либо проводить некоторую осредненную огибающую, которая не описывает точно конкретные предельные состояния.
Рис. 4. Паспорт прочности для образцов керна: а, б - «богатая руда»; в, г - медистая руда; д, е - вкрапленная руда; ж, з - роговик; и, к - медистая руда, построенные по данным растяжения и объемного сжатия 5 МПа (а, в, д, ж, и); по данным растяжения и одноосного сжатия (б, г, е, з, к); (мелким пунктиром показан полукруг растяжения, крупным пунктиром - полукруг одноосного сжатия, штрихпунктиром - полукруг объемного сжатия, сплошной линией - огибающая кругов Мора.
Выше приводятся паспорта прочности для пяти типов горных пород, построенные отдельно по двум методам: 1) как огибающая кругов Мора при растяжении и одноосном сжатии; 2) огибающая кругов Мора при растяжении и объемном сжатии (5 МПа), они приводятся на рис. 4 а - к.
Значения сцепления и угла внутреннего трения приводятся в таблице 2 (верхнее значение характеристики определено по данным растяжения и одноосного сжатия, нижнее значение - по данным растяжения и объемного сжатия (5МПа).
Из табл. 2 видно, что для испытанных пород различия в значениях сцепления, полученных двумя различными методами, составляют от 11 до 18%; в значениях угла внутреннего трения - от 5 до 17%; причем значения сцепления и угла внутреннего трения для одного типа породы, полученные по данным растяжения и одноосного сжатия всегда меньше, чем значения соответствующих характеристик, рассчитанные по данным растяжения и объемного сжатия. К сожалению, ввиду недостатка кернового материала, не удалось исследовать влияние различных значений бокового давления при объемном сжатии на вышеуказанные характеристики.
Таблица 2. Результаты определения деформационно-прочностных характеристик образцов керна: сцепление и угол внутреннего трения.
|
№ п.п. |
Название породы |
Сцепление с, МПа |
Угол внутреннего трения ц, град |
|
|
1 |
Богатая руда |
13,44* |
58,0* |
|
|
15,44** |
60,75** |
|||
|
2 |
Медистая руда |
31,11 |
48,9 |
|
|
35,55 |
54,4 |
|||
|
3 |
Вкрапленная руда |
20,28 |
43,8 |
|
|
22,58 |
48,1 |
|||
|
4 |
Роговик |
28,46 |
37,3 |
|
|
32,43 |
43,6 |
|||
|
5 |
Известняк |
14,65 |
45,4 |
|
|
17,33 |
52,2 |
* - верхнее значение определено по результатам растяжения и одноосного сжатия;
** - нижнее значение определено по результатам растяжения и объемного сжатия.
В табл. 3 и на рис. 5 для пяти типов горных пород приведены значения отношений величин сцеплений, полученных двумя методами, а также отношений пределов прочности при следующих испытаниях: объемное сжатие/растяжение, одноосное сжатие/растяжение, объемное сжатие/одноосное сжатие.
Таблица 3. Значения отношений величин сцеплений, полученных двумя методами, а также отношений пределов прочности при следующих испытаниях: объемное сжатие/растяжение, одноосное сжатие/растяжение, объемное сжатие/одноосное сжатие.
|
Название породы |
(с**- с*)/с* |
?об / ?раст |
?одн / ?раст |
?об / ?одн |
((с**- с*)/с*)/(?об /?одн) |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Богатая руда |
0,15 |
0,95 |
0,92 |
0,41 |
0,37 |
|
|
Медист. руда |
0,14 |
0,90 |
0,85 |
0,35 |
0,41 |
|
|
Вкрапл. руда |
0,11 |
0,87 |
0,81 |
0,29 |
0,39 |
|
|
Роговик |
0,14 |
0,83 |
0,74 |
0,34 |
0,41 |
|
|
Известняк |
0,18 |
0,90 |
0,82 |
0,45 |
0,41 |
с* - значение сцепления, полученное по результатам растяжения и одноосного сжатия;
с** - значение сцепления, полученное по результатам растяжения и объемного сжатия.
Рис. 4. Зависимости отношения следующих прочностных характеристик (по оси ординат):
по оси абсцисс - тип горной породы: богатая руда (1), медистая руды (2), вкрапленная руда (3), роговик (4), известняк (5).
Были рассчитаны коэффициенты корреляции между значениями, приведенными в столбце 2 и значениями в столбцах 3, 4,5 по формуле:
где за х принимались значения (с**- с*)/с*), за у - значения (?об/?раст); (?одн/?раст); (?об/?одн). Значения коэффициентов корреляции приводятся в табл. 4.
Из табл. 4 можно заключить, что между кривыми «с**-с*)/с*» и «?об/?одн» существует сильная корреляционная зависимость с коэффициентом 0,954.
Для велины изменения угла внутреннего трения не удалось установить удовлетворительной корреляционной зависимости ни с какими параметрами свойств горных пород.
Таблица 4. Значения коэффициентов корреляции между величинами (с**- с*)/с*) и (?об/?раст); (?одн/?раст); (?об/?одн).
|
Название породы |
(с**- с*)/с* |
?об / ?раст |
?одн / ?раст |
?об / ?одн |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Богатая руда |
0,15 |
0,95 |
0,92 |
0,41 |
|
|
Медист. руда |
0,14 |
0,90 |
0,85 |
0,35 |
|
|
Вкрапл. руда |
0,11 |
0,87 |
0,81 |
0,29 |
|
|
Роговик |
0,14 |
0,83 |
0,74 |
0,34 |
|
|
Известняк |
0,18 |
0,90 |
0,82 |
0,45 |
|
|
Коэффициент корреляции |
0,379 |
0,165 |
0,954 |
Заключение
На основании экспериментального исследования деформационно-прочностных свойств горных пород (богатая руда, медистая руда, вкрапленная руда, роговик, известняк), взятых с глубины отбора 1600 м, можно заключить, что значения пределов прочности и модулей деформации пород при объемном сжатии с боковым давлением 5 МПа превышают аналогичные характеристики при одноосном сжатии на 40ч80% и 30ч60% соответственно; значения коэффициентов поперечной деформации уменьшаются на 10ч40%.
Различия в значениях сцепления, полученных по двум методам: 1) как огибающая кругов Мора при растяжении и одноосном сжатии; 2) огибающая кругов Мора при растяжении и объемном сжатии (5 МПа), составляют от 11 до 18%; различия в значениях угла внутреннего трения - от 5 до 17%; причем значения сцепления и угла внутреннего трения для одного типа породы, полученные по данным растяжения и одноосного сжатия всегда меньше, чем значения соответствующих характеристик, рассчитанные по данным растяжения и объемного сжатия. Между значениями относительного изменения сцепления, определенного по двум методам, и относительного изменения пределов прочности одноосного сжатия к объемному сжатию существует сильная корреляционная зависимость с коэффициентом корреляции 0,954. Полученную закономерность можно использовать при расчете сцепления пород на больших глубинах.
Список литературы
1. ГОСТ 28985-91 Породы горные. Методы определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.
2. ГОСТ 21153.2-84 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии.
3. ГОСТ 21153.3-85 Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении.
4. ГОСТ 21153.8-88 Породы горные. Методы определения предела прочности при объёмном сжатии.
5. ГОСТ 21153.7-75 Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн.
6. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Проведение на электронных вычислительных машинах имитационных лабораторных испытаний горных пород и определение их механических свойств (пределов прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона). Теории определения прочности горных пород Кулона-Мора.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 27.06.2014Декриптометрические методы исследования минералов, пород и руд, их распространение. Типизация вакуумных декриптограмм пород гранитоидного ряда. Обработка и интерпретация результатов вакуумно-декриптометрических анализов метасоматически измененных пород.
контрольная работа [702,3 K], добавлен 21.06.2016Изучение коллекторских свойств пород на больших глубинах и их нефтегазоносности. Факторы, влияющие на качество пород разных типов. Эволюция осадочных пород при погружении, возникновение в них нового порового пространства в процессе их погружения.
курсовая работа [590,2 K], добавлен 24.05.2012Определение основных балансовых запасов месторождения. Порядок расчета физико-механических свойств горных пород и горно-технологических параметров. Вычисление напряжений и построение паспорта прочности. Расчет и анализ горного давления вокруг выработки.
курсовая работа [282,6 K], добавлен 08.01.2013Типы трещин, понятия о трещиноватости и её видах. Ее значение в горном деле и геологии. Инженерно-геологические условия Нойон-Тологойского месторождения полиметаллических руд. Влияние трещиноватости на изменение физико-механических свойств горных пород.
курсовая работа [899,3 K], добавлен 15.01.2011- Измерение магнитных свойств горных пород под повышенным давлением сдвиговой деформации и температуры
Магнитные свойства горных пород в условиях сдвигового воздействия под повышенным квазивсесторонним давлением. Установка для испытания горных пород и минералов при повышенных давлениях и деформациях сдвига. Автоматические вакуумные магнитные микровесы.
курсовая работа [560,9 K], добавлен 03.03.2013 Процессы разуплотнения горных пород. Электромагнитное поле в моделях разуплотненных структур трещиноватого типа. Зависимость электропроводности горных пород от доли трещин и их заполнения в процессе разуплотнения высокоомным или низкоомным флюидом.
курсовая работа [878,7 K], добавлен 18.04.2015Определение механических характеристик горной породы по табличным данным испытания стандартных образцов в условиях сжатия с боковым поджатием. Построение диаграммы пределов упругости и пределов прочности. Проверка существования единой кривой деформации.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 07.01.2014Основные стадии процесса добычи полезного ископаемого. Предел прочности горных пород при растяжении, методы и схемы определения, количественная оценка. Деформация твердого тела. Методы определения хрупкости горных пород. Хрупкое разрушение материала.
реферат [303,3 K], добавлен 14.02.2014Выбор способа вскрытия карьерного поля. Особенности карьеров, разрабатывающих наклонные месторождения глубинного типа. Предполагаемая схема добычи руды. Способ подготовки горных пород к выемке. Ликвидация негативных последствий ведения горных работ.
курсовая работа [165,9 K], добавлен 23.06.2011Изучение механических свойств пород и явлений, происходящих в породах в процессе разработки месторождений полезных ископаемых. Классификация минералов по химическому составу и генезису. Кристаллическая решетка минералов. Структура и текстура горных пород.
презентация [1,6 M], добавлен 24.10.2014Исторический образ, обзор первобытной обработки камня. Залегания горных пород и их внешний вид. Структура, текстура горных пород Южного Урала. Способы и оборудование для механической обработки природного камня. Физико-механические свойства горных пород.
курсовая работа [66,9 K], добавлен 26.03.2011Классификация горных пород по происхождению. Особенности строения и образования магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Процесс диагенеза. Осадочная оболочка Земли. Известняки, доломиты и мергели. Текстура обломочных пород. Глины-пелиты.
презентация [949,2 K], добавлен 13.11.2011Характеристика твердости, абразивности, упругости, пластичности, пористости, трещиноватости, устойчивости как основных физико-механических свойств горных пород, влияющих на процесс их разрушения. Классификация складкообразований по разным критериям.
контрольная работа [5,4 M], добавлен 29.01.2010Сущность интрузивного магматизма. Формы залегания магматических и близких к ним метасоматических пород. Классификация хемогенных осадочных пород. Понятие о текстуре горных пород, примеры текстур метаморфических пород. Геологическая деятельность рек.
реферат [210,6 K], добавлен 09.04.2012Характеристика структуры, изучение строения и определение размеров пор горных пород. Исследование зависимости проницаемости и пористости горных пород. Расчет факторов проницаемости и методов определения содержания в пористой среде пор различного размера.
курсовая работа [730,4 K], добавлен 11.08.2012Методы определения возраста горных пород, слагающих Землю. Возраст пород слоя Базальт Карденас в восточной части Большого Каньона. Геологическая “блоковая" схема расположения пластов горных пород Большого Каньона. Ошибки радиологического датирования.
реферат [1,4 M], добавлен 03.06.2010Исследование особенностей осадочных и метафорических горных пород. Характеристика роли газов в образовании магмы. Изучение химического и минералогического состава магматических горных пород. Описания основных видов и текстур магматических горных пород.
лекция [15,3 K], добавлен 13.10.2013Характеристика основных условий образования глинистых горных пород. Особенности их классификации: элювиальные и водно-осадочные генетические группы глин. Анализ химического, минерального состава, структуры, текстуры и общих свойств глинистых горных пород.
курсовая работа [35,7 K], добавлен 29.09.2010Подготовка горных пород к выемке. Вскрышные работы, удаление горных пород, покрывающих и вмещающих полезное ископаемое при открытой разработке. Разрушение горных пород, буровзрывные работы, исторические сведения. Методы взрывных работ и способы бурения.
реферат [25,0 K], добавлен 19.03.2009
