Основные факторы, влияющие на пластические свойства

Пластические свойства горных пород.

В основной своей массе породы разрушаются в области упругих деформаций. Но бывают случаи, когда породы претерпевают разрушение за пределами упругих деформаций – в области пластического состояния, характеризуемого появлением в породах значительных остаточных деформаций.

Пластичность горной породы – способность породы под воздействием приложенной к ней силы изменять свои размеры и форму без разрыва сплошности и сохранять полученные размеры и форму после устранения этой силы.

Пластические деформации возникают в результате перемещения дислокаций; они начинаются от мест нарушения структуры в кристалле и распространяются по плоскости скольжения постепенно не нарушая кристаллической структуры и сплошности вещества.

Максимальное напряжение в породе, не приводящее к ее остаточным деформациям, называется пределом упругости. До достижения предела упругости зависимость между напряжением и предельной деформацией у породы прямопропорциональная. Данная модель описывается законом Гука.

В случае идеального пластического тела после достижения предела упругости тело начинает пластически течь – деформация возрастает при постоянном напряжении. Механическая модель, описывающая эту деформацию представляет собой тяжелое тело, лежащее на горизонтальной плоскости и соединенное с пружиной (тело Сен-Венана). Но большинство горных пород относится к упрочняющимся телам. Для поддержания в них пластических деформаций необходимо постоянно повышать напряжения. Рост данных напряжений происходит с убывающей скоростью. Такое поведение породы можно смоделировать комбинаций идеального упругого тела Гука и идеального вязкого тела Ньютона (поршень с отверстиями, движущийся в цилиндре, наполненном вязкой жидкостью). При параллельном соединении этих тел получается модель тела Кельвина-Фойгта, при последовательном – тела Максвелла (рис.).

Рис. Реологические модели различных тел:

а) упругого (Гука); б) вязкого (Ньютона); в) упруговязкого (Кельвина-Фойгта); г) упруговязкого (Максвелла); д) пластичного (Сен-Венана)

Упрощенная связь между напряжением s и относительной деформацией n¢ в области пластической деформации выражается коэффициентом Е¢ (секущий модуль деформации):

(2.22)

Предельный секущий модуль деформации – отношение величины прироста напряжений в пластической зоне (до момента разрушения породы) к величине полной относительной деформации в области пластической зоны (до момента разрушения), называемое модулем пластичности (рис.) Е _пл.

(2.23)

Рис. График к расчету модулей деформации и пластичности горных пород

Если соединить прямой линией конечную точку графика «напряжение-деформация» (момент разрушения образца) с началом координат, то тангенс такого угля называется модулем полной деформации:

(2.24)

Отличие пластической деформации от разрушающей заключается в том, что первая происходит без явного нарушения сплошности породы. Для того, чтобы разрушить пластическую породу необходимо тратить большее количество энергии, чем на разрушение упругой породы с одним и тем же пределом прочности. На рис. видно, что площадь OCD равна работе W _р, затраченной на разрушение реального образца, а площадь OAB – работе, затраченной на разрушение идеально хрупкой породы, W _у с тем же s_сж.

Рис. График к расчету коэффициента пластичности горных пород

Отношение W _р к W _у представляет собой коэффициент пластичности .

(2.25)

В теории пластичности часто используют два условия пластичности материала, которые определяют переход породы из упругого состояния в пластическое.

Первое условие – условие пластичности Треска-Сен-Венана – пластические деформации наступают тогда, когда в материале максимальные касательные напряжения достигают значения, равного пределу текучести при чистом сдвиге.

(2.26)

Из паспорта прочности Мора известно, что

(2.27)

Известно, что при линейном напряженном состоянии переход из упругого состояния в пластическое в породе наблюдается при условии

(2.28)

где – предел текучести горных пород при растяжении.

Подставив в (2.27) зависимость (2.28), получим

(2.29)

Сравнив (2.26) и (2.29), получаем

(2.30)

После подстановки (2.27) и (2.29) в (2.30) получаем условие пластичности Треска-Сен-Венана в виде

(2.31)

По величине можно сравнить относительную пластичность различных пород. Обычно с увеличением предела прочности на одноосное сжатие коэффициент пластичности породы снижается. Поэтому повышение s_сж пород обладающих высокой хрупкостью не только не затрудняет их разработку, а наоборот эти породы значительно легче поддаются динамическому разрушению (взрыванию), чем слабые, но высокопластичные породы.

Второе условие – условие пластичности Губера-Мизеса-Генки – пластические деформации в породе возникают, когда интенсивность касательных напряжений достигает некоторого постоянного для данной породы значения.

(2.32)

Пластичность зависит от минерального состава горных пород. Наличие в породе кварца, полевого шпата уменьшает ее пластичность. Пластичность углей зависит от содержания в них углерода. На пластические свойства горных пород также оказывают внешние факторы. Так они (свойства) повышаются при увлажнении пород.

Пределы пластичности – это значения влажности пород (в %), при которых происходит переход породы из хрупкого состояния в пластическое – нижний предел пластичности W_n, и из пластического в текучее – верхний предел пластичности W _т. Число пластичности Ф равно разности верхнего и нижнего пределов пластичности и характеризует диапазон влажностей в пределах которых порода находится в пластическом состоянии.

В глинах с увеличением числа пластичности возрастает их сжимаемость и водонепроницаемость. У скальных пород пластичность увеличивается с повышением температуры и всестороннего давления.

При увеличении температуры количество дислокаций в породе не изменяется, но увеличивается их подвижность. При увеличении всестороннего давления более легко проявляются внутризеренные движения и смещения, не приводящие к нарушению сплошности и возникновению трещиноватости, т.е. к разрушающим деформациям. Эти факторы важно знать при разработке месторождений на больших глубинах, где как раз и присутствуют повышенные температура, давление.

Дата добавления: 2014-01-07