Влияние условий нагружения на процесс разрушения горных пород

Известные процессы горного производства — бурение, работа проходческих комбайнов, погрузочных машин, стругов, бульдозеров, взрывное разрушение и т.п. характеризуются различным временем приложения нагрузок к горной породе через разрушающий инструмент. Перечисленные процессы в порядке быстродействия можно расположить в следующем порядке:
• Взрывное разрушение - время поддержания высокого давления продуктов взрыва и ударной волны исчисляется микросекундами и миллисекундами (от 2 μс до 30 мс).
• Бурение, в зависимости от его вида, время контакта разрушающего инструмента составляет от 25 до 100 мс.
• Работа проходческих комбайнов, стругов — 150-300 мс.
• Погрузочные механизмы, бульдозеры, скреперы - 0,5-2 с.
Естественно, что разрушение породы происходит различным образом и различие состоит в изменении механизма разрушения, обусловленного уровнем энергозатрат, и главных разрушающих усилий. Отличие обусловлено также масштабами разрушения, площадью приложения нагрузок и характером разрушения в ближней зоне и за ее пределами.
В ходе производственных процессов различны условия нагружения в аспекте наличия знакопеременных нагрузок и их частоты. В этом смысле особо отличается бурение, где в зависимости от вида инструмента, например, числа его оборотов, нагрузки могут отличаться так, что на одну и ту же площадь забоя могут действовать повторные динамические нагрузки.
Перечисленные условия нагружения обусловливают различный характер разрушения породы, зависящий также от скорости нагружения.
Скорость нагружения определяет качественные показатели процесса разрушения горных пород. Н.Н. Павловой и Л.А. Шрейнером установлено, что при увеличении скорости нагружения от статики и до 50 м/с, работа разрушения мрамора увеличивается в 9 раз, а кварцита в 3,6 раза. Г.И. Ягодкин, М.П. Мохначев, М.Ф. Кунтыш определили, что при изменении скорости нагружения от 0,33 до 0,1*10в-66 МПа/с, т.е. на шесть порядков для пяти разновидностей пород, для всех их с увеличением скорости нагружения увеличивается предел прочности на сжатие и растяжение. Например, для известняков в 2,65 раза, диабаза - в 1,7 раза, т.е. чем слабее порода, тем выше рост ее прочности с увеличением скорости нагружения, что можно записать в виде:

где f - коэффициент крепости по Протодьяконову; vн - скорость нагружения.
Связь между скоростью нагружения и величиной нагрузки неоднозначна и для различных пород по генезису, а также зависит от состояния породы.
Если вернуться к формуле Гриффитса:

где es - удельная энергия образования единицы новой поверхности; 1 - полудлина трещины, то в нее время разрушения не входит, т.е. конечный результат разрушения в виде вновь образованной поверхности, также не входит. Следовательно, главный результат разрушения - вновь образованная поверхность не зависит от временных параметров нагружения.
Процесс разрушения характеризуется скоростью роста трещин. Рост трещин может происходить со скоростью, близкой к скорости волны Релея:

где G - модуль сдвига; v - коэффициент Пуассона.
Поскольку упругая волна является константой материала и не зависит от условий его нагружения, значит и скорость роста трещин также не зависит от скорости нагружения. Этот факт послужил А.А. Воробьеву основанием для утверждения, что для разрушения тела нужна не постоянная величина разрушающего фактора (напряжения), а постоянная величина энергии. Тогда, постоянную величину энергии Eэ можно выразить через мощность N и величину экспозиции (времени) tp:

С уменьшением tp, что означает увеличение скорости нагружения, для получения постоянной площади вновь образованной поверхности Sн, нужно приложить мощность, пропорциональную амплитуде разрушающего напряжения, или:

Следовательно, величина амплитуды разрушающего напряжения и экспозиция связаны условием:

В.Х. Бергстром выполнил эксперименты по выявлению влияния скорости и энергии ударного нагружения шаров из разного однородного материала на гранулометрический состав продуктов разрушения. Привлекая к этому еще и результаты Р. Чарьза, Р.Т. Хукки, Бергстром пришел к выводу, что:
1. Удельная объемная энергия разрушения обратно пропорциональна модулю размеров частиц «К», который близок к количеству активных краевых трещин в дробимом материале образца массой «М»:

2. Удельная объемная энергия прямо пропорциональна удельной вновь образованной поверхности дробленого продукта:

3. Абсолютная величина соотношений сохраняется в широком диапазоне изменений скорости нагружения, и лишь при ее увеличении в 1000 раз, отмечается отклонение, вероятно связанное с ростом прочности образцов.
Таким образом, четко прослеживается энергетический подход к проблеме разрушения. В этом случае процесс разрушения рассматривается как непрерывный, так как в материале накапливаются повреждения в течение времени активного действия на него нагрузок динамического или статического характера.
Задержка разрушения связана с тем, что в реальной среде должны произойти изменения во времени. Так, в хрупких телах различно ориентированные микротрещины должны переориентироваться и должна измениться их плотность. На это требуются затраты энергии и времени. Для подвода необходимого количества энергии к дефектам нужно время, в течение которого эффективная часть импульса сообщает часть энергии для их роста.
Для реальных условий можно расписать этапность процесса разрушения, что будет показано в последней части работы, освещающей экспериментальные результаты авторов:
а) создание достаточного критического напряжения,
б) фиксирование его на определенное время,
в) время экспозиции тем меньше, чем выше уровень напряжений.
Скорость приложения нагрузки связана со скоростью роста трещин, а последняя, как правило, связана со скоростью распространения упругих волн. Если скорость нагружения Vн>Vтр, то разрушение породы вообще может не наступить.
В случае отсутствия необходимости во взрывной подготовке горной массы к выемке, процесс отделения ее от массива осуществляется бульдозерами, скреперами, стругами и т.п. выемочной техникой. Возможности техники определяются физико-механическими свойствами пород массива и его состоянием, при этом необходима количественная оценка свойств и состояния. Эти сведения используются на этапе проектирования предприятия для определения параметров системы разработки, горного оборудования и ожидаемых технико-экономических показателей.
При эксплуатации они обеспечивают выбор режимных параметров технологических процессов, производительности машин и расхода материально-энергетических ресурсов.
Применительно к условиям подземной и открытой разработки, вопросы изучения методических основ установления физикомеханических свойств описаны в работах Л.И. Барона и В.В. Ржевского. Эти разработки нашли применение при классификации пород по буримости (Суханов, ЦБПНТ и др.) взрываемости (Ржевский, Кутузов), по экскавируемости (Домбровский) и т.п.
Полная энергия разрушения Aп включает энергию непосредственного разрушения Aо, и непроизводительные затраты энергии, связанные с конструкцией машин Ак, и свойствами пород Аф:

Независимо от методов разрушения до одной и той же степени дробления, энергия разрушения для одной и той же породы остается постоянной.
Удельная энергия разрушения для идеально упругой породы выражается как:

Так как при разрушении породы имеется этап пластической деформации, появляются дополнительные затраты энергии:

где Едеф - модуль деформации.
В зависимости от типа оборудования и вида нагрузки, ответственными за разрушение пород могут быть разные напряжения, что предопределяет необходимость относительной оценки трудности разрушения, при этом принципы ее оценки могут быть следующие.
1. Разрушение породы происходит при достижении пределов прочности на сжатие, растяжение и сдвиг. В результате образуются новые поверхности.
2. Действие сил разрушения может быть оценено показателем прочности σразруш, как частное от деления действующих сил Fi на площадь поверхности разрушения ΔS:

3. В различных процессах горного производства доля участия сжимающих, растягивающих и скалывающих усилий при разрушении породы различна, что учитывается коэффициентами:

Если к1=к2=к3, то:

4. Трещиноватость III-го порядка следует учитывать путем установления истинной поверхности разрушения ΔS.
5. При бурении, взрывании, выемке, дроблении и т.п. процессах учитывается плотность пород:

где Kb - степень влияния сил тяжести; γ - плотность пород; 1 -расстояние перемещения породы; Ai - удельная энергия разрушения.
Относительная трудность разрушения пород в массиве по В.В. Ржевскому выражается как:

Показатель трудности бурения:

Показатель трудности взрывания при использовании аммонита 6 жв:

Показатель трудности экскавации:

где Kp — коэффициент разрыхления.
В процессе многолетних наблюдений установлено, что на каждые 10 лет приходится повышение коэффициента крепости пород на одну категорию. Это обусловлено увеличением глубины горных работ. Сейчас доля пород с крепостью более 15-16 составляет около 58-60%. Вместе с повышением прочности пород разрабатываются и новые способы их разрушения, которые основаны на использовании различных видов энергии и осуществляются в направлении совершенствования средств воздействия на породы. В табл. 1.2 приведен относительный коэффициент энергоемкости разрушения пород при использовании различных видов энергии.

Анализ данных табл. 1.2 свидетельствует о том, что наиболее энергоемким является процесс разрушения с применением лазерного луча или плазмы и в целом группа механических способов -наименее энергоемка. Эти данные позволяют наметить пути конструирования бурового оборудования, основанного на минимальных затратах энергии, а также и других способов разрушения, например, термомеханических для разрушения пород с определенными свойствами, у которых в явной форме проявляются хрупкие свойства, требующие минимальных затрат энергии.
В лабораторных условиях энергоемкость разрушения образцов горных пород можно установить по методу ЦНИГРИ, путем сбрасывания груза установленной массы с определенной высоты на образцы породы:

где P - масса ударника, Н;
hc — высота сбрасывания, м;
n - число сбрасываний;
γ - удельная масса породы, т/м3;
Qz - масса разрушаемой породы, Н.
В этой формуле не учитывается изменение агрегатного состояния, т.е. разделение тела на обособленные части, в то время как разрушение - это непрерывное образование поверхностей, которые являются главным показателем расхода энергии.
Еще П. Кюри в избранных трудах установил принцип, что разделение тела на части обладает двумя видами энергии: объема и поверхности. Это в полной мере относится и к твердым породам.
Для определения ранее выделенного показателя трудности разрушения, необходимо измерить в массиве или в достаточно большом объеме образца все входящие параметры (прочностные показатели) и особенно удельную энергию разрушения Аi, являющуюся комплексным свойством массива или образца. Поэтому для технологических процессов удобнее измерять показатель, наиболее точно устанавливаемый в виде энергии, причем это можно сделать оперативно без предварительной подготовки.
Однако по мнению А.Н. Москалева, Е.Ю. Пигиды и др., такая оценка косвенна и не точна, так как осуществляется по одному производственно-технологическому процессу (бурение, экскавация, взрывание, дробление), и привязана к конкретному породообразующему инструменту определенными режимными параметрами. С этим мнением можно согласиться, кроме утверждения о точности. Дело в том, что определение σсж, σpac, τсдв и других, имеет не меньшие погрешности, но их определение по оперативности не может сравниться с измерением количества энергии, которое осуществляется моментально в ходе самого технологического процесса.

---