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 V_e = 10^-12 — 10^-10 с^-1 и менее (реологические процессы);
• · при статическом режиме испытаний образцов горных пород со стандартной скоростью нагружения V_e = 10^-3 c^-1;
• · при внезапных обрушениях пород кровли V_e = (10^-3 — 10¹) c^-1;
• · при взрывах V_e = (10¹ — 10⁵) c^-1.

В соответствии с этим к статическому способу нагружения могут быть отнесены скорости деформации V_e <10^-3 с^-1; при скоростях деформирования 10^-3 < V_e <10² процесс нагружения может считаться квазистатическим и, наконец, скорости деформирования V_e >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 (рис. 6.11).

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.

Рис. 6.11. 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 (рис. 6.12).

Рис 6.12. Зависимости прочностных (1) и деформационных (2) характеристик пород от скорости деформирования. a — [s_сж] и Е_сж; б — [s_р] и Е_p

Однако для прочностных характеристик, в отличие от деформационных (модуля упругости Е), изменение носит очень неравномерный характер. Так, до скоростей деформирования V_e = (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.