Интенсивность напряженно-деформированного состояния и разрушаемость горных пород

Взрывные работы, производимые на карьере применительно к времени нагружения окружающих массив участков, можно рассматривать как одномоментно нагруженные, в том числе и в случае короткозамедленного взрывания, а также как периодически нагруженные от одного массового взрыва к другому.
В этой связи целесообразно проанализировать имеющийся экспериментальный материал, в том числе, полученный в лабораторных условиях, с позиций разупрочнения массива горных пород.
Горные породы, подвергнутые нагружению до стадии разрушения приобретают свойство усталости, степень которого находится в прямой зависимости от усилий предварительного нагружения и их частоты. Для подтверждения эффекта усталости, возникающего под действием периодических взрывных нагрузок, выполнены лабораторные эксперименты. Образцы прямоугольной формы и цилиндры из железистых кварцитов, бетона, и песчаников подвергались взрывному нагружению. После каждого нагружения измеряли Cp с помощью прибора ДУК-20. Установлено, что с увеличением числа взрывных нагрузок Cp уменьшается в 1,5-2 раза. Одновременно определяли и деформационные характеристики ε, по которым рассчитывали E и μ (рис. 3.24). Было установлено, что продольные деформации с увеличением числа взрывов от 1 до 5 снижаются и в зависимости от уровня предварительного нагружения, т.е. σмах/σмин=Кн растут и более интенсивно чем больше Кн, а поперечные деформации от тех же факторов растут еще больше. Так, при Кн=0,55 при 1 взрыве и 5 взрывах εпрод растут в 1,3 раза, a εпоп - в 2,5 раза. Замечена также общая тенденция роста μ с увеличением числа взрывов и повышением Кн, а прочность пород уменьшается на 45-50%.
Экспериментально установлено, что после двукратного взрывного нагружения в образцах появляются микротрещины, но они не ориентированы (направлены в различных направлениях), а при последующем нагружении они расширяются и наблюдаются новые ветвящиеся трещины, т.е. образуется два вида дефектов:
- система незамкнутых микротрещин,
- система замкнутых микротрещин.
При взрывном дроблении первая не препятствует дроблению, а вторая препятствует. Следовательно, существует оптимум усталостного нагружения. Как показали эксперименты по определению среднего диаметра куска dс после разрушения предварительно нагруженные образцов, лучший эффект был достигнут при 2-3 циклах. Также установлено, что лучший эффект усталостного нагружения реализуется при интервалах с замедлением до 4 мс и напряженно-деформированное состояние должно отражаться на взрываемости горных пород, выраженной через удельный расход ВВ. Следует иметь в виду, что если в результате предыдущих взрывов в массиве накапливаются дефекты, то это должно быть поводом для снижения удельного расхода BB для последующих взрывов. Это предположение подтверждается сведениями, опубликованными в нескольких работах. С увеличением напряженно-деформированного состояния (НДС) массива для угольных месторождений q уменьшается на 17%, на рудниках Кривбасса с увеличением глубины горных работ и увеличением ширины очистного пространства q на отбойку падает, а при ведении добычных работ q с глубиной растет.

Для определения влияния уровня напряженности среды на характер разрушения и степень дробления проведены экспериментальные работы при различной степени нагружения образцов из оргстекла, песчано-цементных блоках и др. Статическая нагрузка создавалась гидравлическим прессом от 2000 до 5*10в4 Н. При площади грани 7,2 см2 напряжения изменялись от 3 до 70 МПа при временном сопротивлении сжатию оргстекла 100 МПа, т.е. коэффициент напряженности изменялся соответственно от 0,03, 0,1, 0,2 и до 0,7. После взрывания зарядами ТЭНа 75, 100, 200 мг, т.е. при q=3, 3,6 и 5,1 мг/см3 определялся грансостав. Установлено, что:
1. Интенсивность НДС среды ухудшает ее разрушаемость, поскольку трещины распространяются в направлении сжимающих напряжений.
2. В случае перенапряжения, т.е. при коэффициенте 0,6 и более наблюдается увеличение интенсивности разрушения.
Следовательно, существует некоторый оптимум напряженности, влияющий на результат дробления.
В свое время в институте АрмНИИПРОЦВЕТМЕТ на ударном копре было проверено изменение механических характеристик образцов медно-молибденовых руд при сбрасывании на них груза с различной высоты. Поскольку энергия удара изменялась так, чтобы в образцах не появлялось трещин, то они все нагружались с различной интенсивностью. Установлено, что после такого нагружения имеется прямая связь между прочностью и энергией удара.
Эксперименты по многократному взрывному нагружению образцов железистых кварцитов, выполненные в ИПКОНе АН РФ путем одного и трехкратного нагружения при неизменной общей энергии показали, что при этом увеличивается доля выхода мелких фракций, видимо, имеет место явление, соответствующее эффекту КЗВ. Заслуживают внимания и факты, изложенные в работе В.Н. Родионова, когда образца из канифоли подвергались нагружению с различными скоростями, в результате оказалось, что при высоких скоростях нагружения мелких фракций также было больше.

---