Определение предела прочности горных пород на сжатие

Предел прочности породы (σ _сж.) определяется отношением разрушающей силы (F_max) к начальной площади сечения (S) образца, Па: σ _сж = F_max / S.

Скорость нагружения при испытаниях выбирают в зависимости от прочности породы в пределах 0, 1 ¸ 5 МПа в секунду. Для испытаний необходимо использовать образцы цилиндричес­кой формы диаметром 40¸ 50мм, высотой равной 0, 9¸ 1, 1 диамет­ра. Допускается испытание кубических образцов с длиной ребра 40¸ 50мм. Торцы образцов должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны к боковой поверхности.

Если образец имеет иное отношение высоты к диаметру, необходимо произвести пересчет результатов испытаний по формуле:

2.1

где s ¢ - показатель прочности образца с нестандартными размерами; d - диаметр нестандартного образца; h - высота нестандартного образца.

При испытании образцов, диаметры которых не соответствуют требованиям методики, результат уточняется расчетом по форму­ле:

2.2

где s ¢ ¢ - показатель прочности образца нестандартного диамет­ра; d" - диаметр нестандартного образца. Показатель прочности при сжатии часто используется, как относительная характеристика, позволяющая сопоставить различ­ные породы. Он используется, в частности, для определения коэф­фициента крепости (f) пород по Протодьяконову М.М., представляюще­го выражение: f = σ _сж· 10^-7 2.3

где s_сж - предел прочности породы при сжатии, Па.

Коэффициент крепости является величиной безразмерной и служит характеристикой сопротивляемости горных пород при любых видах разрушения. Классификация пород М.М. Протодьяконова по величине коэффициента крепости приведена в табл. 5 приложения.

Оборудование и материалы. Пресс с силоизмерительным устрой­ством, штангенциркуль, образцы испытуемой породы.

Порядок выполнения испытаний. Подготавливают к работе пресс, установив стрелку силоизмерительного устройства в нулевое положение. Измеряют диаметр об­разца и устанавливают его торцом в центре опорной плиты пресса без каких-либо прокладок и смазки. Пресс приводят в действие и образец нагружают со скоростью в пределах от 0, 1 до 5МПа в секунду. После разрушения образца пресс выключают. По шкале силоизмерителя определяют разрушающее усилие. Эксперимент повторяют для каждого из образцов.

Обработка полученных результатов. Предел прочности породы на сжатие определяется по формуле, Па: σ _сж = 4 F_max/ ( ·d² ), где F_max - разрушающее усилие, Н; d - диаметр образца, м.

При необходимости результат уточняется по фор­мулам (2.1) и (2.2). По формуле (2.3.) определяется коэффициент крепости породы.

Порядок оформления работы. Приводится схема нагружения об­разцов и краткое описание эксперимента. Результаты измерений и расчетов представляются в виде таблицы (форма 6).

Результаты исследований подвергаются аналитической обработ­ке с целью определения среднего значения параметров, доверитель­ного интервала и коэффициента вариации.

Форма 6

Номер образ­ца	Испытуемая порода	Диаметр образца, d, м	Разрушающая нагрузка, F max, Н	Предел прочнос­ти, sс ж , Па	Коэффициент крепости, f

2.2. Определение прочностных характеристик горных пород
испытанием образцов произвольной формы

Массовое определение прочностных характеристик горных пород на образцах правильной геометрической формы отличается относите­льно высокой трудоемкостью их подготовки к испытаниям. В связи с этим разработан ряд упрощенных (косвенных) методов, не требующих специальной подготовки породных проб. Среди них известен способ испытаний образцов произвольной формы. Сущность его заключается в определении разрушающих напряжений при раздавливании образцов нагружением вдоль наибольшей оси. При этом в вертикальной плоскости образца формируются разрывающие напряжения, вели­чина которых определяется из выражения: s _р ¢ = F/ S, где F - нагрузка на образец, Н; S - площадь сечения образца м², определяемая произведением средней высоты на среднюю ширину плоскости разрушения. Установлено, что площадь плоскости разрыва образца пропор­циональна его объему: S V^2/3 (m / r_о)^2/3, где V - объем образца, м³; m - масса образца, кг; r_о - плотность породы, кг/м³.

Многочисленными экспериментами определено, что между преде­лом прочности на разрыв при испытании образцов произвольной формы и пределом прочности на сжатие цилиндрических образцов существует корреляционная зависимость, характеризуемая выраже­нием: s _р ¢ 0, 19 s_{с ж} . При проведении испытаний скорость нагружения образцов опре­деляется так же, как и при испытании на сжатие. В качестве образцов используют куски породы объемом около 100 см³, у которых размеры в перпендикулярных направлениях от­личаются друг от друга не более чем в 1, 5 раза.

Оборудование и материалы: пресс с силоизмерительным устрой­ством, штангенциркуль, образцы испытуемой породы, лаборатор­ные весы.

Порядок проведения испытаний. Отбирают один из образцов породы и методом гидростатичес­кого взвешивания или волюменометрическим методом определяют его объем­ную плотность. При определении плотности прочных, малопористых пород парафинирование образца необязательно. Оставшиеся образ­цы взвешивают и последовательно подвергают испытаниям на прес­се. Для этого пресс подготавливают к работе, установив стрелку силоизмерительного устройства в нулевое положение. Образец по­роды помещают в центре опорной плиты таким образом, чтобы действие нагружающего усилия совпадало с его наибольшей осью. Пресс приводят в действие со скоростью нагружения, рекомендуе­мой в работе 2.1. После разрушения образца пресс выключают. По шкале силоизмерителя определяют разрушающее усилие. Экспери­мент повторяют для каждого образца.

 

Обработка полученных результатов.

Предел прочности породы на разрыв определяется по формуле, Па:

s _р ¢ = F_max.· (r_о/m) ^{0, 67}, где F _max - разрушающее усилие, Н; r_о - плотность, кг/м³; m - масса образца, кг. Предел прочности породы на сжатие определяют по формуле, Па: s_сж. s _р ¢ / 0, 19.

Порядок оформления работы. Приводится схема нагружения образ­цов и краткое описание методики испытаний. Результаты измере­ний и расчетов заносятся в таблицу (форма 7).

Форма 7

Номер образца	Исследуемая порода.	Плотность породы, rо, кг/м3	Масса образ­ца, m, кг	Разрушаю­щее уси­лие, Fmax, Н	Прочность на раз­рыв, sр¢, Па	Прочность на сжатие, sсж, Па