Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени

ИНСТИТУТ

ГОРНОГО

дела

имени А. А. Скочинского

Министерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочинского

Лаборатория механического разрушения горных пород Утверждена заместителем начальника Технического управления Минуглепрома СССР В. Т. Волковым 1 октября 1980 г.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА СТАТИЧЕСКОЕ ОТКАЛЫВАНИЕ

Москва

1980

2.    Для вдавливания используются цилиндрические инденторы с плоским основанием, изготовленные из сплавов ВК-6 и ВК-8. Основание индентора должно быть ровным, не иметь повреждений и сколов кромки. Чтобы поверхность индентора, находящаяся в контакте с образцом, не выкрашивалась, допустимо на крепких породах применение инденторов в форме усеченного конуса с углом при-острения не более 60°.

3.    Во избежание искажения результатов испытаний вследствие проявлений масштабного фактора необходимо на каждом образце применять инденторы двух размеров, соотношение площадей оснований которых должно быть не менее 5-6. Наименьшая площадь при этом должна быть не менее 1-2 мм², а наибольшая - до 30-40 мм².

4.    Для крепления индентора удобно использовать специальный патрон конструкции Н.С.Родионова и А.В.Кузнецова [3]. Индентор вставляют в патрон, головка которого снабжена резьбой, и зажимают при помощи накидной гайки. Патрон с индентором при помощи винта закрепляют в обойме верхней плиты пресса.

5.    При подготовке образцов к испытаниям рекомендуется использовать камнерезные машины с рабочими органами в виде вращающихся режущих алмазных дисков или фрез, оснащенных твердосплавными резцами или вставками.

Диаметр отрезных дисков должен быть не менее 320 мм.

4. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

1.    Подготовка образцов к испытаниям заключается в нарезании

прямоугольных дородных образцов в форме параллелепипедов или кубов. Угловое отклонение от перпендикулярности между плоскостью вдавливания и боковыми стенками не должно превышать 2-3°.

Дополнительную обработку поверхности нарезанных образцов производить не требуется.

Не допускается проведение опытов на образцах с видимыми нарушениями боковых граней и кромок, вблизи которых будет производиться вдавливание.

2.    Для определения показателя сопротивляемости статическому откалыванию и установления характеристики хрупко-пластических свойств инденторы вдавливают в точки, удаленные от ребра образца на расстояние 15 мм. Допускается отклонение от указанного расстояния не более чем на 0,5 мм.

3.    Нагружение при испытании производят в один прием до момента отделения элемента образца в сторону его боковой стенки. Скорость приложения нагрузки должна быть не выше 30 мм/мин.

4.    В журнале фиксируют усилия откалывания, а также максимальную ширину а отколотых частиц (см. рисунок).

5.    Расстояния между соседними точками вдавливания выбирают с таким расчетом, чтобы участки соседних отколов не соединялись.

6.    На отдельных хрупких породах в процессе нагружения иногда образуются небольшие местные выколы породы под основанием инден-тора. В таких случаях следует продолжать вдавливание до откалывания в сторону боковой стенки образца.

7.    При проведении опытов на слоистых породах необходимо вдавливать индентор как вдоль, так и перпендикулярно слоистости.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1.    Показатель сопротивляемости статическому откалыванию вычисляется по формуле

%Рг _ %Р,

Рот* - --¹.    >    (5.1)

о_г о,

где Р_г и Р₁ - усилия откалывания при вдавливании инденторов соответственно с большим и меньшим основаниями , кг с,

п* и ^п4 - число вдавливаний инденторов соответственно с большим и с меньшим основаниями;

& И £, - величины соответственно большей и меньшей площади *    оснований,    ш£.

2.    Для расчета показателя хрупко-пластических свойств при единичном откалывании используется формула

W    ⁽⁵-²⁾

где а - ширина откола, мм; d - диаметр индентора, мм;

В - расстояние точки вдавливания от края образца, равное 15 мм.

Величина показателя tgy от диаметра индентора не зависит. Если опыты на откалывание производятся с двумя инденторами, при расчете среднего значения могут быть использованы результаты вдавливаний обоих инденторов одновременно.

II

3. Коэффициенты вариации при испытании на сопротивляемость откалыванию определяются для инденторов большего и меньшего диаметров отдельно. Среднее арифметическое полученных значений принимается за итоговое.

Коэффициенты вариации показателя ^упри испытании с применением двух инденторов рассчитываются по сумме результатов всех вдавливаний.

Для вычисления коэффициентов вариации применяется формула

где д/ - отклонения отдельных результатов от средних арифметических;

X - среднее арифметическое; п - число опытов.

6. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПО МЕТОДУ СТАТИЧЕСКОГО ОТКАЛЫВАНИЯ

ЛИТЕРАТУРА

1.    Баров Л. И., Г л а т м а н Л. Б., Мельников А. Н. Методика определения контактной прочности горных пород. М., ИГД им.А.А.Ско-чияского» 1976.

2.    Б а р о н Л. И, Отбор проб для определения горнотехнологических свойств пород по методикам лаборатории механических способов разрушения горных пород ИГД им.А. А.Скочидского. М., ИГД им.А.А.Скочинского, 1966.

3.    Родионов Н. С. _t Кузнецов А. В. Новая конструкция штампа для оценки твердости горных пород и минералов. - В сб. "Научные сообщения ИГД им.А.А.Скочинского", вып.ХУП. М., Госгортехиздат, 1962.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ............................... 3

1.    Отбор образцов (проб) ....................... 7

2.    Установление необходимого    числа    проб    (образцов) и испытаний ....    3

3.    Аппаратура ж оборудование..................... 9

4.    Подготовка образцов ж проведение    испытаний    10

5.    Обработка результатов.......................II

6.    Результаты испытаний горных пород по методу статического откалывания ................................12

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА СТАТИЧЕСКОЕ ОТКАЛЫВАНИЕ Редактор Л.В.Труханова Т-14962 Изд. й 8565 Тираж 500 Заказ

Типография Института горного дела им. А.А.Скочинского 0,9 уч.-изд.л.    Подписано    к    печати 2.IX 1980 г.

УДК 622.23.02

В настоящей работе приведена методика испытания горных пород на статическое откалывание для определения сопротивляемости разрушению пород резцовым инструментом и установления показателя хрупко-пластических свойств.

Методика разработана в ИГД им. А.А. Скочинского проф._#докт.техн.наук Л.Б.Глатмаяом и инж. Л.С.Яшиной.

Указанная методика может быть использована работниками научно-исследовательских и проектно-конбтрукторских организаций.

Институт горного дела нм. А. А. Скочинского (ИГД им. А. А. Скочинского), 1980

ВВЕДЕНИЕ

Надежность инженерных методов расчета различных процессов механического разрушения горных пород в значительной степени зависит от достоверности определения и оценки их горнотехнологических свойств. Для большинства способов механического разрушения в качестве- критерия сопротивляемости породы разрушению в приповерхностном слое в настоящее время применяется показатель контактной прочности р_к. Однако этот показатель, как известно [i], может быть определен только для пород, в которых при вдавливании индентора образуется лунка хрупкого выкола, т.е. в основном для пород хрупких. Накопленный как в лаборатории механического разрушения горных пород ИГД им.А.А.Скочинского, так и в других организациях значительный по объему экспериментальный и производственный опыт подтвердил достоверность критерия р_к для расчета наиболее распространенного способа разрушения хрупких горных пород до средней крепости посредством режущего инструмента (т.е. методом резания). Преимуществом нового способа испытания является Возможность оценить на таком же породном образце и на той же испытательной установке, как и при определении контактной прочности, уровень сопротивляемости резанию горной породы, не образующей лунки хрупкого выкола.Это делает способ испытания универсальным - сопротивляемость статическому откалыванию, коррелирующая с характеристикой разрушавмости при резании, может быть экспериментально определена для горной породы с самыми разнообразными хрупко-пластическими свойствами.

Метод испытания пород на статическое откалывание был предложен в лаборатории механического разрушения пород института проф., докт.техн.наук Л.И.Бароном, проф.,докт.техн.наук Л.Б.Глатманом и икж. Л.С.Яшиной.

Известно, что хрупко-пластические свойства горных пород и количественная их оценка как сред, разрушаемых механическими

3

способами, изучены недостаточно и с трудом поддаются более или менее достоверному косвенному определению. Настоящая методика позволяет при испытании горных пород на статическое откалывание получать, наряду с показателем сопротивляемости разрушению Р_отк, также критерий хрупко-пластических свойств tgy_t отвечающий требованиям, предъявляемым к характеристикам для горнотехнологиче-ских инженерных расчетов.

Сущность испытания сводится к вдавливанию инденторов прессом на некотором расстоянии от ребра породного образца. Каждое вдавливание производится до отделения элемента породы в сторону боковой стенки образца.

За критерий сопротивляемости откалываниюпринимается величина предельного контактного давления ^на единицу площади основания индентора) в момент откалывания (отрыва), а за характеристику хрупко-пластических свойств - тангенс половины угла 2 tf₉ под которым расходится откольная трещина, выходя к боковой стенке образца (см. рисунок). По физической сущности данный угол аналогичен углу бокового развала породы (например, при резании).

Р

Схема испытания горных пород на статическое откалывание

В ходе исследований по разработке рассматриваемой новой методики испытаний горных пород отчетливо выявилось, что в зависимости от соотношения расстояния точек вдавливания от края образца и диаметра индентора разрушение породы может происходить либо по типу скалывания (т.е. сдвига), либо по типу откалывания (т.е. отрыва). Так как наиболее характерным для разрушения пород резцами и некоторыми другими инструментами механического действия является откалывание, условия испытаний должны обеспечивать именно этот вид разрушения.

4

Б результате экспериментальных исследований установлено, что отрыв имеет место при расстояниях вдавливания, равных или больших двух диаметров индентора, Так как максимальный диаметр инден-торов, применяющихся обычно в лабораториях, составляет около 7 мм, границей перехода от зоны сдвига к зоне откалывания является расстояние, составляющее около 15 мм, которое было принято за базовое. Необходимость проведения опытов при постоянном расстоянии вдавливаемого индентора от стенки была обусловлена тем, что на разных горных породах интенсивность изменения усилий откалывания с увеличением расстояния существенно неодинакова.

Определения tg\f при откалывании, выполненные при различных диаметрах инденторов и расстояниях точек вдавливания от края, показали, что изменение величины показателя tg^c изменением данных условий испытаний подчиняется тем же закономерностям, что и при резании: величина tgy не зависит от площади контактной поверхности и несколько уменьшается с увеличением х^сстояния вдавливания от края (при резании этому расстоянию соответствует толщина стружки). Учитывая, что интенсивность изменения величин tgy с изменением расстояния точек вдавливания от края на разных породах различна, определения величин ^^было решено производить тоже при постоянном расстоянии вдавливаемых инденторов от стенки.

Методикой предусмотрено проведение опытов с применением инденторов, имеющих плоское основание, в то время как у реального инструмента оно коническое или клиновое. Решение о применении цилиндрических инденторов с плоским основанием было принято в итоге анализа вариации результатов опытов при постоянной и непостоянной площади контакта индентора с породой, а также с учетом результатов сопоставления усилий откалывания при плоском и коническом основаниях с усилиями резания пород. Было установлено, что выигрыш в точности, получаемый при применении инденторов, сходных с резцом, имеющим коническую головку, незначителен, в то время как разброс результатов повторных опытов при таком основании намного выше, чем при плоском.

Рекомендация использовать для испытаний на сопротивляемость откалыванию два индентора разных диаметров базируется на результатах исследований проявления масштабного эффекта при откалывании.

Методикой предусматривается проведение опытов на образцах с плоской боковой стенкой. Показатели Ротк* tg f , полученные на

5

таких образцах, отличаются от полученных на кернах: с уменьшением радиуса кривизны боковой стенки образца сопротивляемость откалыванию и величина критерия tg if уменьшаются, причем для разных пород с различной интенсивностью.

Поскольку установить формулу пересчета, единую для всех пород, практически невозможно, авторы решили для получения сопоставимых показателей проводить опыты на образцах с плоской боковой стенкой.

Чтобы показатель Р_откотражал действительную сопротивляемость породы разрушению в реальном процессе, поверхность вдавливания при проведении опытов, кгк и поверхность реального забоя, очевидно, должна быть естественной, а не полированной.

Опыты на образцах с естественной и с обработанной поверхностями одних и тех же горных пород показали, что усилия откалывания, как и показатель tgy , практически не зависят от степени шероховатости поверхности вдавливания и лишь вариация на образцах с гладкой поверхностью несколько меньше, чем на образцах с поверхностью естественной. Поэтому в лабораторных условиях опыты имеет смысл выполнять на образцах с обработанной поверхностью: дополнительных затрат времени и труда на подготовку этой поверхности не требуется, так как она может быть нарезана одновременно с нижней гранью образца, а число опытов при такой поверхности вдавливания окажется несколько меныпим, чем прй естественной.

Метод статического откалывания может быть использован не только для производственных, но и для научных целей, например, для исследования влияния слоистости на характеристики разрушае-мости пород.

При испытании на откалывание экспериментальным путем может быть найден угол, характеризующий угол скола при резании.

Способ испытаний, пригодный как для хрупких, так и для весьма пластичных горных пород, не рекомендуется, однако, для пород сильно трещиноватых и рассланцованных.

Показатель сопротивляемости статическому откалыванию рекомендуется использовать в качестве характеристики разрушаемости в первую очередь для тех пород, контактную прочность которых невозможно определить вследствие высокой их пластичности.

I. ОТБОР ОБРАЗЦОВ (ПРОБ)

Отбор и хранение проб для испытаний на статическое откалывание производится с учетом рекомендаций работы [2] и заключается в следующем:

1.    Необходимо, чтобы отобранные для испытаний образцы были максимально типичными по составу, структуре, текстуре и состоянию для тех горных пород, которые данные образцы должны представлять .

2.    Как правило, опробованию подвергают те виды и разновидности пород, которые имеют самостоятельное значение как объекты разрушения при ведении горных работ.

3.    Образцы, предназначенные для испытаний, не должны иметь видимых нарушений (трещин). Желательно, чтобы монолитные куски требуемых размеров извлекались с минимальными механическими воздействиями, без нарушения целостности отделяемой части породы.

4.    Выветрелые или растрескавшиеся участки породы при отборе пробы в обнажении обязательно следует удалить.

5.    На каждый образец необходимо нанести устойчивой краской порядковый номер.

6.    В ведомости отбора проб указывают:

номер пробы;

место отбора пробы (шахта, горизонт, горная выработка, скважина, принадлежность к определенному пласту или залежи полезного ископаемого);

наименование горной породы;

краткую характеристику породы: минералогический состав (желательно), зернистость, особенности структуры и текстуры;

дополнительные сведения о пробе (например, о естественной влажности опробуемой породы, если необходим особый учет данного факта и т.п.).

7.    Желательно извлекать из массива пробы в виде монолитов параллелепипедяой или кубовидной формы.

8.    Технология отбора проб из горных выработок должна в максимальной степени исключать дополнительные повреждения, разрушение их или расслоение, для извлечения проб из массива желательно применять режущие устройства,

В отдельных случаях допускается обуривание монолитов и отделение их от массива посредством клиньев.

7

Размеры проб для единичных испытаний должны удовлетворять следующим условиям:

ширина образца должна быть не менее 50 мм; значения длины и высоты образца должны быть не менее представленных в табл. I.I.

Таблица I.I

Сопротивляемость откалыванию Рст , кгс/мм2	Длина, мм	Высота, мм
Менее 70	90	50
70-140	120	ео
Более 140	150	80

9. Представляющие пробу породные монолиты должны иметь верхнюю и нижнюю поверхности (в крайнем случае хотя бы одну из них), более или менее параллельные слоистости.

2. УСТАНОВЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ПРОБ (ОБРАЗЦОВ)

И ИСПЫТАНИЙ

1.    Число проб образцов N₀fip , которое нужно отобрать, зави-

сит от требуемого числа единичных испытаний п_иср , а последнее -от заданных точности и надежности определения, с одной стороны, и от вариации искомой характеристики у пород данной группы, -с другой.

2.    Необходимое число испытаний устанавливают статистическим путем по величине коэффициента вариации i<^_ap$ характерного для пород данной группы. При этом задаются величиной допускаемой относительной (в процентах) ошибки кд_0п и величиной так называемого нормированного отклонения t._HOp_M*

В качестве расчетной используется обычная формула математической статистики

/, -    ±^г    (2 1)

^писп “у,    ^Г норм •

^кдоп

Величину нормированного отклонения принимают в зависимости от задаваемой надежности /^^(табл. 2.1).

Для исследовательских работ величину допускаемой относительной ошибки fcg_0n можно принимать в пределах 8-12?, и для определения в прямых производственных целях - 20-30?.

Таблица 2.1

Задаваемая яадехяость 0,68 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 0,955 0,990 0,997 0,999 ^над Нормированное отклонение tHOpM 1.0 1,04 1,15 1,28 1,44 1,65 1,96 2,0 2,58 3,0 4.0

Рекомендуется ориентироваться на следующие минимальные зна-

чения надежности Рна^ и соответствующие им величины tHOOM' Для определения в прямых производственных целях Рчад 0,80 t норм 1,28 Для производственно-исследовательских работ 0,90 1,65 Для специальных лабораторных исследований физико-технического профиля 0,95 1,96

Ориентировочнке значения коэффициентов вариации показателей сопротивляемости статическому откалыванию и хрупко-пластических свойств некоторых горных пород представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Горная порода Ориентировочные коэффициенты вариации К• (%) дня '<v Рот. Ч* Мрамор 15-25 20-30 Известняк 10-25 10-30 Песчаник мелко- и средне зернистый 5-20 10-25 Песчаник слоистый 25 25 Гранит 5-20 10-30 Горцгчнй сланец 20-30 20-30 Лабрадорит 10 20 Доломит 20 10

3. АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ

I. Испытания горных пород на статическое откалывание могут проводиться на гидравлических и механических прессах с максимальными усилиями_г превышающими на 20-30$ предельные нагрузки ддя наиболее прочных образцов. Точность регистрации усилий должва составлять до 1-2$. Этим требованиям обычно удовлетворяют пресен с нагрузкой от 2,5 до 10 тс. Пресс должен обеспечивать плавное нагружение.