РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Определение базовых физико-механических свойств горных пород
Лабораторные исследования физико-механических свойств горных пород (прочностных и деформационных) осуществляются в условиях одноосного нагружения на установке УНТС (установка трехосного неравнокомпонентного сжатия) конструкции ИФГП НАН Украины [67]. Данный метод относится к одному из наиболее точных, так как установка УНТС позволяет подвергать испытаниям породы любой прочности и в различных режимах нагружения и деформирования. Для испытаний применялись образцы кубической формы с различными геометрическими размерами. Разрушение производилось при квазистатике. Параллельность граней и отклонение от перпендикулярности к образующей составляет не более 5 10-5 м. Во избежание влияния анизотропии свойств образцы разрушались в одном направлении к слоистости пород.
Для изучения механических свойств горных пород непосредственно в шахте применяются пробники БУ-39 конструкции ВНИМИ. Данный метод основан на испытаниях образцов непосредственно на месте отбора проб. Испытаниям подвергаются образцы произвольной формы, которые раскалываются с помощью шариковых инденторов в приборе. Путем математической обработки результатов определяются значения показателей прочности на одноосное сжатие и растяжение.
2.2. Методы определения эффективной поверхностной энергии
Cогласно исследованиям, проведенным авторами работы [67], в качестве параметра неоднородности горного массива целесообразно использовать эффективную поверхностную энергию горных пород, которая является интегральной характеристикой физико-механических свойств.
В настоящее время имеется ряд способов определения эффективной поверхностной энергии материалов, основанные на измерении необратимой работы, которая затрачивается на образование новых поверхностей при разрушении материала [96-99]. Однако некоторые вопросы еще остаются мало изученными. Это объясняется в основном тем, что известные методы имеют свою область применения, ограниченную требованиями, предъявляемыми к эксперименту, а также технологическими трудностями изготовления соответствующих образцов.
В экспериментальных методах по определению ЭПЭ в основном используют решения задач о предельном равновесии твердых тел, ослабленных трещинами. В этом случае эксперименты проводят в условиях медленного роста трещин. В отличие от статического разрушения тел с исходной трещиной процесс разрушения, в котором трещина распространяется динамически, охватывает круг вопросов, которые еще не достаточно изучены. Непосредственное измерение величины поверхностной энергии материалов в этом случае затруднено в связи со сложностью эксперимента, в котором должны быть предусмотрены методы и средства, позволяющие учитывать все энергозатраты, сопутствующие разрушению.
В работах [96, 97] авторами был предложен метод прямого измерения энергозатрат разрушения при ударном расклинивании плоского образца с надрезом. Однако регистрируемые в процессе испытания величины позволяют вычислить лишь общую работу, затрачиваемую на разрушение образца. Вопрос определения доли этой работы на образование трещины и ее продвижение через весь объем остается нерешенным.
Среди множества экспериментальных методик определения ЭПЭ, которые в основном созданы для металлов, для горных пород наиболее приемлемы такие, как:
- метод раскалывания дисков [100], применяемый для керновых проб;
- инженерный метод определения ЭПЭ, применяемый для штуфовых проб [100];
- способ определения ЭПЭ горных пород при объемном сжатии [95].
В диссертации при изучении характера изменения величин ЭПЭ горных пород в зонах тектонических разрывных нарушений относительно фоновых значений, определенных в ненарушенной части пласта, использовался метод сверления, основанный на испытании образцов полуправильной формы [101], и инженерный метод для уточнения абсолютных значений ЭПЭ [100].
Выбор этих методов исследования обусловлен возможностью анализировать свойства сравнительно слабых пород, в различной степени деформированных действием напряжений, вызвавших образование разрывов.
Согласно инженерной методике, эффективная поверхностная энергия определялась по формуле:
,
где L - плечо действия нагрузки Р, мм;
D - толщина образца, мм;
h - высота образца, мм;
f(?) - функция относительной длины трещины;
? - относительная длина трещины
Е ? модуль Юнга, МПа.
Образцы изготовлялись в виде балочек длиной 100-150 мм с прямоугольной формой сечения (25?8 мм). В балочке алмазным диском нарезалась искусственная трещина, выходящая на поверхность глубиной более 0,2 высоты балочки. Причем радиус устья трещины должен быть не более 0,5 мм. Изгиб балочки осуществляется моментом силы Р, приложенной к плоскости балочки (рис.2.1).
Рис.2.1. Образец для определения ЭПЭ горных пород инженерным методом
Для керновых проб наиболее технологичным является метод раскалывания дисков. Изготовление дисков осуществляется путем распиливания керна на камнерезном станке по нормали к его продольной оси. Отношение диаметра d к его толщине H должно быть больше двух (d/H>2). В центре диска твердосплавным сверлом просверливается отверстие диаметром 4-9 мм, затем с помощью алмазного круга диаметром 20 мм или плоского алмазного надфиля с заостренными ребрами образуется искусственная трещина длиной 0,2-0,5 диаметра. Диск разрушается путем сжатия по образующей соосными штоками, действующими по направлению оси трещины (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Принципиальная схема для определения ЭПЭ методом раскалывания дисков
При раскалывании фиксируется усилие P. Эффективная поверхностная энергия определяется по формуле:
,
,
где Р - раскалывающая нагрузка, Н;
Н - толщина диска, мм;
D - диаметр диска, мм;