Лабораторные работы. 12. лабораторные работы по механическому разрушению горных пород
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
12. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО МЕХАНИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ ГОРНЫХ ПОРОД 12.1. Определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии Целью работы является определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии между плитами пресса (по ГОСТ 21153.2—84). Прочность при одноосном сжатии является наиболее общей и часто используемой характеристикой прочностных свойств горных пород. Пределом прочности при сжатии называется сжимающее напряжение, при котором образец породы разрушается. Предел прочности вычисляется по формуле  (1)где Р — сжимающая, разрушающая сила, Н; S — площадь поперечного сечения образца, м2. По ГОСТ 21153.2—84 прочность при одноосном сжатии определяют на образцах правильной формы — призматической или цилиндрической. Испытания проводят на образцах горных пород со стороной квадрата или диаметром 42 ±2 мм. В соответствии с данным ГОСТом проводят сравнительные или исследовательские испытания горных пород. При сравнительных испытаниях высота образца горной породы должна превышать его диаметр в 2 раза с отклонением ± 5 %. Количество образцов при сравнительных испытаниях должно быть не менее десяти при надежности результата испытаний не ниже 95 % и относительной погрешности не более 10%.  При исследовательских испытаниях образцов допускается отношение высоты образца h к его диаметру d от 1 до 2. В этом случае количество образцов должно быть не менее шести при надежности результата испытаний восемьдесят процентов и относительной погрешности не более двадцати процентов. Размеры образцов должны соответствовать параметрам, указанным в табл. 12.1. При всех испытаниях должны быть выдержаны следующие допуски:
Образцы изготовляют выбуриванием или выпиливанием на камнерезной машине из штуфов и кернов, а их торцевые поверхности шлифуют на шлифовальном станке. Оборудование для проведения испытанийИспытания проводят на прессах, максимальное усилие которых не менее чем на 20—30 % превышает предельную нагрузку на образец. В процессе испытаний образец устанавливают в центре между стальными плитами пресса и нагружают до разрушения. Для того чтобы нагрузка прикладывалась строго по оси образца, одну из плит пресса соединяют с шаровой опорой. Установка образца под прессом для определения прочности при одноосном сжатии представлена на рис. 12.1.  Рис. 12.1. Установка для определения прочности при одноосном сжатии: 1 – образец; 2 – каленые прокладки; 3 – центрирующее устройство; 4 – плиты пресса. Проведение испытаний Скорость нарастания нагрузки до момента разрушения образца должна находиться в пределах 1...5 МПа/с. Нагрузку повышают с постоянной скоростью вплоть до разрушения образца. Фиксируют максимальное значение Р. Протокол испытаний Результаты испытаний заносят в таблицу.  Обработка результатов Предел прочности при одноосном сжатии вычисляют по формуле (1). Обработку результатов испытаний п образцов производят в следующем порядке. Вычисляют: среднее арифметическое по пробе  12.2. Определение предела прочности горных пород при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии Целью работы является определение предела прочности горных пород при одноосном сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии. По ГОСТ 30629—99 прочность горных пород в сухом и водонасыщенном состоянии определяют на образцах правильной формы — призматической или цилиндрической. Испытания проводят на пяти образцах горных пород со стороной квадрата или диаметром 45 ± 5 мм. Для горных пород с выраженной слоистостью изготовляют по 10 образцов: 5 вдоль и 5 поперек слоистости. Допускается испытывать керны диаметром от 40 до 110 мм и высотой, равной диаметру, если керны не имеют внешних повреждений. Снижение прочности при сжатии характеризуют разностью между пределами прочности пород в сухом и водонасыщенном состоянии. Торцевые поверхности образцов-цилиндров и грани образцов-кубов обрабатывают с помощью шлифовального порошка. После шлифования отклонение от плоскостности, измеренное по четырем углам образца-куба или четырем взаимно перпендикулярным диаметрам образца-цилиндра, должно быть не более 0,1 мм. Отклонение от параллельности граней должно быть не более ±0,02 мм. Испытания образцов проводят в сухом и водонасыщенном состоянии. Перед определением прочности образцы высушивают до постоянной массы и измеряют. Для определения прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии образцы укладывают в сосуд с водой с температурой 20 ± 5°С так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. Образцы выдерживают в воде в течение 48 часов, после чего извлекают из сосуда, удаляют влагу с поверхности влажной тканью и испытывают на прессе. Образцы не должны иметь трещин, в том числе волосяных. Оборудование для проведения испытаний Образец устанавливают в центре, совмещая оси образца с центром нижней опорной плиты, и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей торцевой грани образца. Испытания проводят на прессах, максимальное усилие которых не менее чем на 20—30 % превышает предельную нагрузку на образец. Проведение испытаний Скорость нарастания нагрузки до момента разрушения образца должна находиться в пределах 0,3...0,5 МПа/с. Нагрузку повышают вплоть до разрушения образца. Фиксируют максимальное значение Р. Предел прочности при сжатии определяют по формуле  где S – площадь поперечного сечения образца, м2. Протокол испытаний Результаты испытаний заносят в таблицу.  Обработка результатов Предел прочности при сжатии породы вычисляют как среднеарифметическое значение испытаний пяти образцов. Снижение прочности породы в водонасыщенном состоянии вычисляют по формуле  где σсж и σж — пределы прочности соответственно в сухом и водонасыщенном состоянии. Для образцов горной породы с выраженной слоистостью записывают отдельно результаты, полученные при испытаниях вдоль и перпендикулярно слоистости. 12.3. Определение предела прочности горных пород при многократном раскалывании и сжатии Целью работы является определение предела прочности горных пород при многократном раскалывании и сжатии (по ГОСТ 21153.4—84). Метод испытаний распространяется на твердые горные породы с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову не менее 0,5 и применяется при массовых определениях пределов прочности при растяжении и сжатии с использованием результатов в технической документации, при проектировании и проведении научно-исследовательских работ. Сущность метода заключается в определении максимальной разрушающей силы при многократном раскалывании образцов породы пластинчатой или брусчатой формы и сжатии, полученных при раскалывании образцов кубообразной формы. Особенность метода заключается в определении пределов прочности при растяжении и сжатии на одной пробе. Образцы для испытаний изготавливают на камнерезной машине, отрезая от проб диски или пластины толщиной 20 мм. Диаметр дисков — не менее 75 мм, ширина пластин — не менее 100 мм. Допустимое отклонение от параллельности не более 0,5 мм по диаметру или минимальному размеру образца. Неровности на плоскостях образца допускаются не более 0,05 мм. Оборудование для проведения испытаний Для проведения испытаний применяют пресс, максимальное усилие которого не менее чем на 20—30 % превышает предельную нагрузку на образец. Раскалывающее устройство выполнено в виде стальных клиньев с длиной лезвия, превышающей наибольший линейный размер образца. Угол заточки клиньев должен быть равен 90°, а радиус закругления 5 ± 1 мм (рис. 12.2). Размеры образца должны соответствовать значениям указанным в таблице.  Проведение испытаний На одной стороне образца наносят квадратную сетку со стороной квадрата 20 мм. Сначала производят испытания растяжением. Для этого образец помещают между раскалывающими клиньями, совмещая лезвия клиньев с одной из линий нанесенной сетки. Приводят пресс в действие и нагружают образец равномерно со скоростью 1...5 МПа/с. В процессе данных испытаний образец раскалывают сначала на бруски, затем по поперечным линиям на кубики полуправильной формы. Диски размером 40…60 мм раскалывают на четыре части.  При каждом раскалывании толщиной h фиксируют максимальную разрушающую силу P (H) и замеряют штангенциркулем длину линии раскола l. Предел прочности образца при раскалывании вычисляют по формуле  Например, при испытании разрушающая сила составила 9700 H, длина линии раскола 62 мм, толщина – 20 мм. Следовательно, предел прочности при раскалывании составляет  Протокол испытаний Результаты определения предела прочности при раскалывании σр заносят в таблицу.  Испытания сжатием производят после раскалывания образца, заменив раскалывающие клинья на плиты. Предел прочности образца горной породы при сжатии вычисляют в виде отношения максимальной разрушающей силы Р при сжатии на среднюю площадь поперечного сечения образца 5, равную полусумме площадей параллельных поверхностей образца до его разрушения:  При испытании разрушающая сила составила 28 840 Н, а средняя площадь поперечного сечения образца 2,4 см2. Следовательно, предел прочности при испытании составляет  Протокол испытаний  12.4. Определение предела прочности горных пород при растяжении Целью работы является определение предела прочности горных пород при растяжении путем разрушения цилиндрических образцов сжатием по образующей (по ГОСТ 21153.3—84). Метод испытаний распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном растяжении не менее 0,5 МПа. Метод предназначен для исследовательских и массовых испытаний горных пород при одноосном растяжении в направлении, перпендикулярном к заданному продольному сечению образца. Сущность метода заключается в раскалывании цилиндрических образцов сжимающими, встречными силами, приложенными через стальные плиты или клинья, по диаметрально противоположным образующим (рис. 12.3).  Оборудование для проведения испытаний Для проведения испытаний применяют пресс. Нагрузку на образец передают через стальные плиты толщиной не менее 12 мм. Отклонение плит от параллельности не более 0,02 мм. Длина плит и клиньев — на 3...5 мм больше длины образца. В испытаниях используют цилиндрические образцы диаметром d= 40 ± 2 мм, отрезая на камнерезной машине пробы длиной l = (1,0 ± 0,1) d.Образующая боковой поверхности должна быть прямолинейной по всей длине. Допускаемая шероховатость — не более 0,2 мм. К точности обработки торцов жестких требований не предъявляется. Размеры образца должны соответствовать параметрам указанным в таблице.  Проведение испытаний Количество образцов должно быть не менее шести, надежность результата не ниже 80 %, относительная погрешность — не более 20 %. Образец размещают в центре опорной плиты пресса между плитами либо между клиньями. Образец между клиньями располагают так, чтобы ось образца и лезвия клиньев находились в одной плоскости. Отклонение от плоскости не более 0,5 мм. Скорость приложения нагрузки 1 ...5 МПа/с. Предел прочности образца при нагружении клиньями вычисляют в виде отношения разрушающей силы Р к площади раскола образца (произведению ее длины на диаметр)  При нагружении образца плитами в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент 0,64:  Например, при испытании железистого кварцита между плитами пресса разрушающая сила составила 38 040 Н. Раскол цилиндрического образца диаметром d = 40 мм производился по площади с длиной образующей l = 42 мм. Следовательно, предел прочности при одноосном растяжении составляет  Протокол испытаний Результаты определения предела прочности при растяжении σр заносят в таблицу.  12.5. Определение предела прочности горных пород при срезе со сжатием Целью работы является определение предела прочности горных пород при срезе со сжатием (по ГОСТ 21153.5—88). Испытания на срез со сжатием служат для определения важнейших характеристик горных пород: сцепления и угла внутреннего трения, которые характеризуют сопротивляемость пород касательным напряжениям. По результатам измерений возможно построение паспорта прочности горных пород. Метод испытаний распространяется на твердые горные породы с пределом прочности при одноосном сжатии не менее 5 МПа. Метод предназначен для испытаний аналогичных по характеристикам или одинаковых объектов (породных образцов), проводимых для определения характеристик и свойств, применительно к решению любых производственных и научно-исследовательских задач. Сущность метода заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу, установленному в стальные наклонные матрицы испытательного устройства. Оборудование для проведения испытаний Испытательное устройство (рис. 12.4), размещаемое на опорной плите пресса, содержит сменные разъемные матрицы 1 с бронзовыми вкладышами 2 для установки образца под углами наклона 0 = 25°; 35°; 45° и опорное приспособление в виде стальных плит 3 с роликовой постелью 4. Режущие кромки вкладышей 2 расположены в одной диаметральной плоскости для цилиндрического образца или срединной плоскости — для призматического образца. Образцы выбуривают или вырезают на камнерезной машине из штуфов и кернов, их торцевые поверхности шлифуют. Размеры образцов приведены в таблице.  Измерения проводят штангенциркулем с погрешностью не более ±0,1 мм. Диаметр (сторону квадрата) измеряют в трех местах (в середине и у торцов) в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Допускается разность диаметров по этим измерениям не более 0,1 мм. За расчетный диаметр принимают среднее арифметическое значение результатов всех измерений. Средний диаметр образца должен быть меньше внутреннего диаметра обоймы не более чем на 0,2 мм.  Торцевые поверхности образца должны быть плоскими, параллельными друг другу и перпендикулярными к боковой поверхности. Величину выпуклости и вогнутости проверяют линейкой штангенциркуля или боковой поверхностью слесарного угольника на отсутствие просвета и устраняют шлифованием. Перпендикулярность проверяют слесарным угольником на отсутствие просвета в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Образцы одной выборки должны иметь одинаковые размеры. Допускаются отклонения значений диаметра (стороны квадрата) каждого образца от среднего арифметического значения по всем образцам выборки не более ±0,1 мм и по высоте не более ± 2,0 мм. Проведение испытаний Количество образцов для испытания при каждом из углов наклона (0 = 25°; 35°; 45°) должно быть не менее шести при условии обеспечения надежности результатов не менее 80 % и относительной погрешности не более 30 %. Образец помещают в матрицу испытательного устройства. Между образцом и обоймами матриц прокладывают фольгу. Собранную с образцом матрицу вместе с опорным приспособлением устанавливают в центре опорной плиты пресса. Образец нагружают равномерно со скоростью роста срезающих напряжений 1...5 МПа/с до полного разрушения по плоскости среза. Определяют величину Рсрезающей силы. Предел прочности образца при срезе те и нормальное сжимающее напряжение τе вычисляют по формулам  где Р— разрушающая сила, Н; Ɵ — угол между плоскостью среза и направлением действия разрушающей силы, град; S = =I*d—площадь плоскости среза, м2. Например, при испытании магнетитового кварцита при угле среза 6 = 35° разрушающая сила составила Р = 128 000 Н. Высота образца h= 42 мм, диаметр d= 41 мм. Следовательно, предел прочности образца при срезе составляет  Протокол испытаний Результаты определения предела прочности заносят в таблицу.   Результаты испытаний представляют в виде графической зависимости (рис. 12.5.) предельных касательных и нормальных напряжений. 12.6. Определение предела прочности на растяжение при изгибе горной породы |