Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Забайкальский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «ЗабГУ»)

Факультет Горный

Кафедра «Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Геомеханика»

Выполнил: ст. гр. ГД (ОП)з-15

Бабенко И.Д.

Проверил: доцент

Щеглова С. А.

Чита 2020

Содержание

1. Классификация свойств горных пород

1.1 Плотностные свойства горных пород

1.2 Механические свойства горных пород

1.3 Горнотехнологические свойства горных пород

2. Методы испытаний пород при динамических нагрузках

1. Классификация свойств горных пород

Горные породы - это вещество, слагающее земную кору. Состоят горные породы из минералов, однородных или неоднородных, которые твердо или рыхло соединяются.

Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в массиве.

В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

Таблица 1

Основные физические свойства горных пород

1.1 Плотностные свойства горных пород

Плотностные свойства горных пород проявляются в результате действия гравитационного поля Земли. Их в свою очередь можно подразделить на две группы: гравитационные и структурные. К гравитационным свойствам относят удельный g0 и объемный g вес пород, к структурным - их удельную массу r0, плотность (объемную массу) r, общую П и открытую пористость П0, коэффициент пористости Кп.

Удельный вес-это вес единицы объема твердой фазы породы, т. е.

g0 = GT/VT

где GT и VT-вес и объем твердой фазы образца.

Значения удельного веса горных пород в зависимости от удельного веса породообразующих минералов колеблются обычно в пределах 2,5-5,0 гс/см3.

Объемным весом называют отношение веса основных агрегатных фаз породы (твердой, жидкой и газообразной) к объему, занимаемому этими фазами:

g = G/V,

где G -вес агрегатных фаз породы; V-объем, занимаемый этими фазами.

Объемный вес - это наиболее часто используемая плотностная характеристика горных пород, которая зависит от их состава и структуры. Онвсегда меньше удельного веса и лишь для весьма плотных пород может приближаться к нему.

Удельная масса - это отношение массы твердой фазы горной породы к объему твердой фазы:

r0 = mT/VT,

где mT и VT - масса и объем твердой фазы образца.

Плотность (объемная масса) горной породы определяется как масса единицы ее объема (твердой, жидкой и газообразной фаз, входящих в состав породы), т. е.

r = m/V,

где m-масса всех агрегатных фаз породы; V-объем, занимаемый этими фазами.

Удельная масса и плотность породы могут быть выражены через ее удельный и объемный вес:

r0 = g0/g;

r = g/g,

горный порода плотность нагрузка

где g-ускорение свободного падения.

В отличие от удельного и объемного весов плотность является параметром вещества в строгом физическом смысле.

Наибольшую плотность имеют массивно-кристаллические изверженные породы, наименьшую - осадочные и некоторые эффузивные (вулканические туфы, пемзы).

Под пористостью горной породы понимают суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор). Суммарный относительный объем открытых (сообщающихся) пор характеризует открытую пористость По горной породы. Суммарный относительный объем закрытых (замкнутых) пустот называют закрытой или изолированной пористостью Пи. Пористость, которая определяет движение в породе жидкостей и газов, называют эффективной пористостью Пэ. Общая пористость П определяется совокупностью закрытых и открытых пор. Отношение объема пор к объему минерального скелета называют коэффициентом пористости КП.

Поры по размеру разделяют на три класса: сверхкапиллярные (более 0,1 мм), капиллярные (0,002-0,1 мм) и субкапиллярные (менее 0,0002 мм).

Обычно пористость выражают в процентах, относя объем пор v к полному объему породы V:

П = (v / V)100%.

Пористость горных пород изменяется в широких пределах - от долей процента до 90 % и более. Принято различать породы с пористостью низкой (менее 5%), пониженной (5-10%), средней (10-15%), повышенной (15-20%) и высокой (более 20 %).

1.2 Механические свойства горных пород

Механические свойства характеризуют поведение горных пород в различных механических силовых полях. Их подразделяют на ряд групп:

- прочностные, характеризующие предельное сопротивление пород различного рода нагрузкам;

- деформационные, характеризующие деформируемость пород под нагрузками;

- акустические, характеризующие условия передачи породами упругих колебаний;

- реологические, характеризующие деформирование пород во времени при заданных условиях нагружения;

1.3 Горнотехнологические свойства горных пород

Для решения отдельных вопросов геомеханики представляют определённый интерес горнотехнологические свойства, которые являются откликом массива пород на технологические воздействия и потому отражают, не только свойства, но и состояние пород.

Число характеристик здесь может быть сколь угодно велико (коэффициент крепости, коэффициент разрыхления, коэффициент трения, угол естественного откоса, гранулометрический состав, показатель дробимости, показатель взрываемости и др.). В соответствии с этим остановимся лишь на тех из них, которые находят наиболее широкое применение в геомеханике.

К их числу прежде всего следует отнести комплексный показатель свойств пород - коэффициент крепости fкр, введенный проф. М. М. Протодьяконовым для характеристики сопротивляемости пород механическим воздействиям. При этом была разработана шкала, в соответствии с которой все горные породы подразделены на 10 категорий. К первой из них отнесены породы с высшей степенью крепости (fкр = 20), к десятой - наиболее слабые плывучие породы (fкр == 0,3). Таким образом, пределы изменения коэффициента крепости - от 0,3 до 20.

2. Методы испытаний пород при динамических нагрузках

В реальных условиях горные породы подвергаются воздействию различных нагрузок, при этом режимы нагружения могут быть самыми разнообразными - от статического до импульсного.

В принципе любые процессы нагружения являются динамическими, так как протекают в реальном времени, однако степень их динамичности различна, и в зависимости от того, насколько велик вклад сил инерции в общем балансе сил, действующих на образец или деформирующийся объем, тот или иной режим нагружения относят к категории статических или динамических.

В настоящее время не существует общепринятого критерия динамичности процесса, хотя были предложены различные классификации режимов нагружений.

По-видимому, наиболее общей характеристикой режима нагружения является скорость относительной деформации, поскольку эта характеристика определяет процесс деформирования в каждой точке деформируемого объема независимо от способа нагружения.

Различные технологические процессы в массивах горных пород можно соотнести с определенными скоростями деформации. Так, скорость деформации пород

· в выработках при длительных статических нагрузках составляет Ve = 10-12 - 10-10 с-1 и менее (реологические процессы);

· при статическом режиме испытаний образцов горных пород со стандартной скоростью нагружения Ve = 10-3 c-1;

· при внезапных обрушениях пород кровли Ve = (10-3 - 101) c-1;

· при взрывах Ve = (101 - 105) c-1.

В соответствии с этим к статическому способу нагружения могут быть отнесены скорости деформации Ve <10-3 с-1; при скоростях деформирования 10-3 < Ve <102 процесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования Ve >102 с-1 характеризуют динамические режимы нагружения.

Для изучения закономерностей изменения деформационно - прочностных характеристик с увеличением скорости приложения нагрузок и возрастанием скорости деформирования пород наиболее рациональным является применение таких методов испытаний, которые без существенных изменений позволили бы в широком диапазоне изменять скорость деформирования пород от статических до динамических режимов приложения нагрузок.

С этой точки зрения к настоящему времени наиболее разработана методика, основанная на принципе разрезного (составного) стержня Гопкинсона. Она позволяет определять деформационно-прочностные характеристики горных пород при одноосном сжатии и растяжении.

Для автоматической регистрации усилий и деформаций на упругие элементы стержней-динамометров и боковую (или торцовую) поверхность образцов наклеивают тензодатчики, сигналы от которых фиксируются обычно светолучевыми осциллографами.

Рисунок 1 Схема испытаний горных пород при динамическом сжатии (а) и динамическом растяжении (б). 1 - боек; 2, 3 - входной и выходной стержни-динамо-метры: 4 - образец горной породы; 5 - тензодатчики для регистрации деформаций в стержнях-динамометрах; 6 - тензодатчики для регистрации деформаций в образце

В зависимости от применяемых нагрузочных устройств испытания проводятся в различных режимах приложения нагрузок. В диапазоне статических скоростей (V <10-3 с-1) образец нагружается стационарной универсальной испытательной машиной (прессом) с усилием, необходимым для разрушения испытуемой породы. В диапазоне динамических скоростей деформаций применяют ударный способ нагружения с помощью вертикальных или горизонтальных механических или пневматических копров, пороховых или пневматических пушек, устройств взрывного типа, электрогидравлического удара и др.

Значение среднего напряжения сж(t) в образце при сжатии определяется как полусумма напряжений, возникающих на контактных поверхностях образца и стержней. Максимальное значение сж(t), зарегистрированное при разрушении образца, принимается в качестве его предела прочности при сжатии. Максимальное значение р(t) считают пределом прочности горной породы на растяжение.

Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением скорости деформирования пределы прочности пород на сжатие и растяжение, а также соответствующие значения модуля упругости возрастают.

Рисунок 2 Зависимости прочностных (1) и деформационных (2) характеристик пород от скорости деформирования.a - [sсж] и Есж; б - [sр] и Еp

Однако для прочностных характеристик, в отличие от деформационных (модуля упругости Е), изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования Ve=(10-2- 100)с-1 коэффициент динамичности

K = sД/sСТ

характеризующий возрастание динамических пределов прочности по отношению к статическим, составляет 0,4-1,2, а далее резко возрастает до 6-8. Значения коэффициента динамичности для модуля упругости плавно возрастают от К = 0,2 - 0,4 до К = 1,6- 1,8.

Размещено на Allbest.ru