МЕТОД ОБЪЕМНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО НАГРУЖЕНИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛЯНЫХ ПОРОД

  • И.А. МОРОЗОВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Комплекс лабораторных исследований физико-механических свойств горных по- род включает в себя эксперименты по одноосному сжатию и растяжению, объемному нагружению и сдвигу, изгибу и т.д. При исследовании керна скважин постоянно при- ходится работать с ограниченным объемом породного материала. Изготовление необ- ходимого количества образцов зачастую просто невозможно. Задача о разработке эф- фективных методов лабораторных исследований, позволяющих извлекать максимум информации из минимального количества породного материала, особенно актуальна для Верхнекамского калийного месторождения (ВКМКС), что связано с использовани- ем разряженной сетки бурения геологоразведочных скважин. Данное исследование по- священо экспериментально-теоретическому обоснованию возможности применения метода объемного многоступенчатого нагружения для определения прочностных ха- рактеристик соляных пород ВКМКС. Анализ литературных источников [1-3], а также проведенные предварительные исследования соляных пород показали, что объемное многоступенчатое нагружение дает заниженные значения предела прочности, что объясняется закономерным увели- чением предварительной поврежденности образцов на последующих ступенях много- ступенчатого нагружения. Для снижения степени недооцененности прочностных ха- рактеристик методом объемного многоступенчатого нагружения, переключение на сле- дующую ступень деформирования необходимо выполнять не доводя образец до преде- ла прочности. Значение прочности ступени нагружения предлагается оценивать путем экстраполяции соответствующей части диаграммы деформирования. Для проверки данных предположений на руднике БКРУ-4 был отобран блок полосчатого сильвинита, из которого была изготовлена партия образцов. Часть образцов была испытана по «стандартной» одноступенчатой схеме при боковых давлениях 2 МПа, 4 МПа, 8 МПа, оставшиеся образцы испытывались по «модифицированной» многоступенчатой схеме (рис. 1). Рис. 1. Характерная диаграмма деформирования образца при нагружении по «модифицированной» многоступенчатой схеме 135 ----------------------- Page 136----------------------- Объемное многоступенчатое нагружение каждого образца выполнялось в пять этапов (рис. 1): • При постоянном боковом давлении (σ2 = σ3 = 2 МПа) с постоянной скоростью продольного деформирования образец доводился до точки, соответствующей 0,9 пре- дела прочности первой ступени. После чего выполнялось переключение на следующую ступень нагружения (σ2 = σ3 = 4 МПа). Предел прочности первой ступени (σ1str.2) оп- ределялся методом графической экстраполяции соответствующей части диаграммы де- формирования. • При σ2 = σ3 = 4 МПа с постоянной скоростью продольного деформирования образец доводился до точки, соответствующей 0,9 предела прочности второй ступени. После чего выполнялось переключение на следующую ступень многоступенчатого на- гружения (σ2 = σ3 = 8 МПа). Предел прочности второй ступени (σ1str.4) определялся методом графической экстраполяции соответствующей части диаграммы деформиро- вания. • При σ2 = σ3 = 8 МПа с постоянной скоростью продольного деформирования образец доводился до остаточной прочности (σres.8). После чего выполнялось переклю- 1 чение на следующую ступень многоступенчатого нагружения (σ2 = σ3 = 4 МПа). • При σ2 = σ3 = 4 МПа с постоянной скоростью деформирования образец дово- дился до остаточной прочности (σres.4). После чего выполнялось переключение на сле- 1 дующую ступень многоступенчатого нагружения (σ2 = σ3 = 2 МПа). • При σ = σ = 2 МПа с постоянной скоростью продольного деформирования 2 3 образец доводился до остаточной прочности (σres.2). 1 Одноступенчатое и многоступенчатое объемные нагружения сопровождались се- рией разгрузок с последующим нагружением для определения изменения величины модуля упругости в процессе деформирования. Модуль упругости определялся как тан- генс угла наклона линейной части разгрузочной ветви диаграммы деформирования. Вид образцов после испытания представлен на рис. 2. Рис. 2. Вид образцов после испытаний (слева-направо): - образцы, испытанные по одноступенчатой схеме при боковых давлениях 2 МПа, 4 МПа, 8 МПа; - образец, испытанный по многоступенчатой схеме при давлениях 2 МПа, 4 МПа, 8 МПа 136 ----------------------- Page 137----------------------- Ниже представлен анализ результатов проведенного исследования. Рис. 3 отражает влияние бокового давления на величину предела прочности ненарушенного образца, вели- чину остаточной прочности полосчатого сильвинита. На рис. 4 представлены паспорта прочности Кулона-Мора ненарушенной породы и остаточной прочности полосчатого силь- винита. На рис. 5 представлена диаграмма, отражающая изменение модуля упругости в про- цессе деформирования в зависимости от уровня бокового давления и типа испытания. Метод многоступенчатого объемного нагружения полосчатого сильвинита дает значе- ния предела прочности ненарушенных породных образцов сопоставимые на уровне разброса экспериментальных данных с результатами «стандартных» одноступенчатых испытаний (рис. 3, а). Остаточная прочность сильвинита при боковом давлении 2 МПа (рис. 3, б) по ре- зультатам многоступенчатого нагружения несколько выше значения, полученного по дан- ным одноступенчатых испытаний, что объясняется сильным вдавливанием нагружающих пуансонов в торцы образцов в процессе многоступенчатого испытания (см. рис. 2). Эта про- блема может быть решена путем использования пуансонов несколько больших размеров: ребро пуансона должно быть больше соответствующего ребра образца на 1-2 мм. а) б) Рис. 3. Влияние бокового давления на величину предела прочности ненарушенного породного образца полосчатого сильвинита (а), величину остаточной прочности (б) а) б) Рис. 4. Паспорт прочности Кулона-Мора ненарушенной породы (а) и остаточной прочности (б) полосчатого сильвинита. Результаты одноступенчатых испытаний показаны красным цветом, многоступенчатых - синим 137 ----------------------- Page 138----------------------- Рис. 5. Изменение модуля упругости в зависимости от уровня бокового давления и типа испытания: сплошные линии - результаты одноступенчатых испытаний при соответствующих уровнях бокового давления; пунктирные: зеленая, коричневая линии - результаты многоступенчатых испытаний при соответствующих уровнях бокового давления; субвертикальная красная пунктирная линия - условная граница между запредельным разупрочнением и остаточной прочностью образца Паспорта прочности Кулона-Мора характеризуются двумя параметрами: коэффи- циентом сцепления, тангенсом угла внутреннего трения. По результатам анализа пас- порта прочности ненарушенной породы (рис. 4, а) можно сделать вывод о удовлетвори- тельном соответствии данных многоступенчатых и одноступенчатых испытаний. Неко- торое несоответствие в оценке параметров остаточной прочности указанными метода- ми можно наблюдать на рис. 4, б. Даннывй результат объясняется переоцененным зна- чением остаточной прочности методом объемного многоступенчатого нагружения при боковом давлении 2 МПа (рис. 3, б). Рис. 5 отражает изменение модуля упругости в процессе деформирования в зависимости от уровня бокового давления и типа испытания. Видно, что с увели- чением бокового давления, по данным одноступенчатых испытаний, на всех стади- ях деформирования модуль упругости увеличивается. С ростом бокового давления тенденция к увеличению модуля упругости снижается. При боковых давлениях 2 МПа, 4 МПа в процессе деформирования наблюдается явное снижение модуля упругости, что объясняется разрушением упругих связей горной породы. Наиболее интенсивное снижение модуля упругости фиксируется в районе предела прочно- сти. При выходе образца на остаточную прочность, модуль упругости сохраняется постоянным. При боковых давлениях 8 МПа отмечено лишь незначительное сни- жение модуля упругости на стадии допредельного деформирования, а при выходе образцов на запредельное деформирование тенденция к снижению прекращалась. Результаты исследования изменения модуля упругости в процессе объемного мно- гоступенчатого нагружения (рис. 5, пунктирные зеленая и коричневая линии) по- казывают, что многоступенчатый метод дает не только близкие значения модуля упругости но и отражает тенденции его изменения в хорошем соответствии с ре- зультатами одноступенчатых испытаний. 138 ----------------------- Page 139----------------------- Результаты определения механических характеристик полосчатого сильвинита ВКМКС как одноступенчатым, так и многоступенчатым методами удовлетворительно сходятся с данными [4, 5]. Результаты анализа изменения модуля упругости в процессе нагружения обоими методами позволяют сделать вывод о том, что многоступенчатый метод объемного нагружения, в предложенной интерпретации, является эффективным инструментом для исследования процессов деформирования и разрушения соляных по- род ВКМКС в лабораторных условиях.

Литература

  1. Youn H. Multi-stage triaxial test on brittle rock / Heejung Youn, Fulvio Tonon // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. - 2010. - Vol. 47, № 4. - P. 678-684. - doi: 10.1016/j.ijrmms.2009.12.017.
  2. Yang S.Q. Strength and deformation behavior of red sandstone under multi-stage triaxial compression // Canadian Geotechnical Journal. - 2012. - V. 49, № 6. - P. 694-709. - DOI: 10.1139/t2012-035.
  3. Vergara M.R. Large Scale Tests on Jointed and Bedded Rocks Under Multi-Stage Triaxial Compression and Direct Shear / Vergara M.R., Kudella P., Triantafyllidis T. // Rock Mechanics and Rock Engineering. - 2014. - Vol. 48, № 1. - P. 75-92. - DOI: 10.1007/s00603-013-0541-1.
  4. Зильбершмидт В.Г. Разрушение соляных пород: [науч. изд.] / В.Г. Зильбершмидт, В.В. Зильбершмидт, О.Б. Наймарк; ГИ УрО РАН, [отв. ред. И.В. Баклашов]. - М.: Наука, 1992. - 144 с.
  5. Барях А.А. Деформирование соляных пород / А.А. Барях, С.А. Константинова, В.А. Асанов; ГИ УрО РАН; [отв. ред. Н.С. Булычев]. - Екатеринбург, 1996. - 204 с.: ил.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи