Лабораторная работа № 4

 

Тема: Определение механических свойств горных пород ме­тодом вдавливания штампа.

Цель работы: Изучить метод статического вдавливания штампа по Л.А. Шрейнеру, позволяющий определять твер­дость, упругие и пластические характеристики горных пород. В образец горной породы с двумя плоско-параллельными плоскостями вдавливается штамп в форме цилиндра или усеченно­го конуса с плоским основанием. Приэтом регистрируется нагрузка на штамп Р и глубина его внедрения e.

Твердость занимает особое место среди механических свойств пород, поскольку для определения ее используется прием проникновения внутрь породы (индектора), который в определенной степени моделирует разрушение породы острым инструментом.

В настоящее время твердость пород по Шрейнеру Л.А. определяется нагрузкой на единицу площади штампа, при которой заканчиваются упругие и пластические деформации, завершающиеся полным хрупким разрушениям участка пород под площадью штампа, т.е. в качестве меры твердости принята величина контактного давления, при котором напряжения в породе под штампом достигают предела прочности. Преимущество штампа с постоянной на время опыта площадью контакта перед вдавливаемым конусом предопределило широкое его применение. Используемые в опытах штампы представлены на рисунке 5.

 

А б

 

 

а – закаленная сталь; б – твердый сплав

 

Рисунок 5 – Штампы

 

По рекомендациям Шрейнера Л.А. [1] для плотных и однородно-пористых пород применяются штампы площадью до 2 мм². При испытании пород с размером зерен более 0,25 мм рекомендуется использовать штампы площадью 3 мм², а в опытах с малопрочными и сильнопористыми породами рекомендуются штампы с контактной площадью 5 мм² и более.

Определение твердости методом статического вдавливания штампа производится на специальных установках УМГП - 3 и УМГП - 4, на которых результаты опыта автоматически записываются на ленте, также на приборах, изготовленных на базе гидропресса рисунок 6.

 

1 - цилиндр гидравлического пресса; 2 – манометр; 3 - рычаг ручного насоса; 4 - корпус насоса; 5 – траверса; 6 – штамп; 7 - индикатор глубины внедрения; 8 - столик поршня; 9 - образец горной породы; 10 - кран гидронасоса

 

Рисунок 6 – Гидропресс

 

Штамп вдавливается под нагрузкой в образец породы, при этом фиксируются попарно нагрузка – глубина внедрения штампа в породу. Вдавливание продолжается до момента хрупкого разрушения породы и выкола лунки. После этого производится построение графиков зависимости нагрузки на штамп от глубины внедрения.

Шрейнер Л.А. определил, что все горные породы по характеру их “поведения” при деформации подразделяются на 3 группы: 1 - хрупкие, 2 – хрупко-пластичные, 3 – высоко-пластичные, сильнопористые, не дающие общего хрупкого разрушения. Каждая группа пород имеет характерный график деформации, по которым определяют твердость и некоторые другие механические свойства пород. На рисунке 7 а, б, в приведены графики деформации всех трех групп.

 

а – для хрупких горных пород; б - для хрупко - пластичных горных пород; в - для высоко-пластичных горных пород

 

Рисунок 7 - Графики деформаций горных пород

 

На рисунке 7 а - график деформации хрупких пород. Зависимость ε = f (Р) линейная. До момента разрушения (точка А) деформация только упругая. По максимальной нагрузке Р_р, соответствующей моменту выкола лунки определяется твердость Р_ш

 

(12)

 

где F- площадь основания штампа.

 

График деформации хрупко-пластичных пород (рисунок 7 б) состоит из двух частей – упругой и пластичной. В области упругой деформации (участок ОА) деформация протекает быстрее. В точке А происходит переход упругих деформаций в пластические. На участке АВ происходит пластическая деформация породы. При ступенчатом нагружении штампа наступает интенсивная деформация, причем рост деформации каждый раз продолжается некоторое время и после прекращения повышения нагрузки. Это так называемое пластическое течение. На графике этот участок характеризуется уменьшением угла наклона кривой деформации. В точке В происходит выкол лунки.

Твердость определяется аналогично первому графику.

 

. (13)

 

В точке В наблюдается переход упругих деформаций в пластические. Это дает возможность по нагрузке Р₀, соответствующей переходу деформаций, определить предел текучести породы Р_т

 

. (14)

 

За меру пластичности принимается отношение общей работы, затраченной до момента разрушения А_р (пропорциональной площади ОАВС) к работе упругого деформирования А_уп (пропорциональной площади ОДЕ) – это отношение называют коэффициентом пластичности К_п.

 

. (15)

 

Шрейнер Л.А. предложил считать работу упругого деформирования пропорциональной площади треугольника ОДЕ, то есть то, что упругие константы породы сохраняют свою величину и в области пластической деформации. Высокопластичные, сильнопористые не дают общего хрупкого разрушения под штампом. За меру твердости и за начало разрушения условно принимается предел текучести Р_т, соответствующий нагрузке Р₀ рисунок 7 в.

 

. (16)

 

Коэффициент пластичности условно принят равным бесконечности К_п = ∞.

На основе анализа материалов применение метода статического вдавливания штампа Шрейнером предложена классификация горных пород по твердости и пределу текучести (таблица 7).

 

Таблица 7 – Классификация горных пород по твердости и пределу

текучести

 

Группа пород	Категория	Рш, МПа	Рт, МПа
Мягкие		<100 100-250 250-500	<40 40-110 110-250
Средней твердости		500-1000 1000-1500	250-550 550-850
Твердые		1500-2000 2000-3000	850-1200 1200-1900
Крепкие		3000-4000 4000-5000	1900-2500 2500-3500
Очень крепкие		5000-6000 6000-7000 >7000	3500-4200 4200-5100 >5100

 

Классификация горных пород по пластичности представлена в таблице 8.

 

Таблица 8 – Классификация горных пород по пластичности

 

Категория
Кпл		1-2	2-3	3-4	4-6	6-∞

 

Первая категория включает хрупкие горные породы, вторая, третья, четвертая, пятая хрупко-пластичные, а в шестой – высоко-пластичные и сильнопористые.