Определение вязкости разрушения и поверхностной энергии разрушения горных пород

Целью работы является экспериментальное определение вязкости разрушения и поверхностной энергии разрушения горных пород.

Для определения предельных значений внешней нагрузки твердого тела с трещинами необходимо знать величины вязкости разрушения и удельной поверхностной энергии разрушения данного тела (9.4.4). Эта энергия в численном выражении представляет собой работу, которую необходимо затратить на образование единицы поверхности разрушения при заданных постоянных условиях (температура, давление, окружающая среда). Вязкость разрушения и поверхностная энергия разрушения тела определяются по формулам:

При плоском деформируемом состоянии

При плоском напряженном состоянии

где К_l_с и К_с — вязкость разрушения при плоской деформации и плоском напряженном состоянии, Н/м^3/2; Е — модуль упругости, Па; γ — удельная поверхностная энергия, Дж/м²; v — коэффициент Пуассона.

В случае идеально хрупкого тела, когда новая поверхность образуется без микропластических деформаций и тепловых потерь, удельная поверхностная энергия равна истинной поверхностной энергии горной породы. Если же в процессе разрушения имеют место микропластические деформации и повышение температуры, то значение экспериментально определенной поверхностной энергии будет больше истинного значения удельной поверхностной энергии данной горной породы.

Прямое измерение истинной удельной поверхностной энергии для твердых тел возможно осуществить в случае записи диаграммы «нагрузка — деформация» на прямом и обратном ходе нагружения при условии монотонного подрастания трещины, размеры которой можно измерить. Схема нагружения должна быть такой, чтобы распространение трещины было устойчивым, а не спонтанным. Однако такая схема нагружения может быть реализована только для крупных образцов горной породы, когда существует возможность остановить развитие трещины до момента полного разрушения образца. Для образцов малого размера эта ситуация недостижима. Поэтому удельную поверхностную энергию определяют расчетным путем при известном значении вязкости разрушения:

при плоском деформируемом состоянии

При плоском напряженном состоянии

По данной методике определения поверхностной энергии точность результата невелика, поскольку зависит от достоверности известных значений модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона v—табличных или специально измеренных.

Измерение вязкости разрушения горных пород в лабораторных условиях можно осуществить, например, по трехточечной или четырехточечной схеме испытаний при изгибе. В данном случае образец горной породы в виде стержня с краевой трещиной искусственного происхождения нагружают на гидравлическом прессе. Скорость нарастания нагрузки — 10 Н/с. При такой схеме нагружения имеющаяся в образце макроскопическая искусственная трещина при нарастании силы Р сначала раскрывается, достигая предельного равновесного состояния, а затем распространяется, увеличиваясь в длине от начального значения /о до полного разрушения. Результаты испытаний используют для определения вязкости разрушения.

Расчет значения вязкости разрушения при испытании по трехточечной схеме производят по формуле

где L — расстояние между опорами, м; b — ширина образца, м; h — толщина образца, м; а — относительная длина трещины, а = l0/h.

Например, при испытании образца железной руды толщиной h = 20 мм, шириной b = 22 мм (начальная длина трещины l₀= 5 мм), установленного на опорах с расстоянием между ними L = 100 мм, зафиксировано полное разрушение под максимальной нагрузкой Р_max = 230 Н. В этом случае

Коэффициент вязкости разрушения

Удельная поверхностная энергия при известных значениях Е*(Е = 1, 5 • 10¹⁰ Па) и v*(v = 0, 21) составляет

Результаты испытаний заносят в таблицу

12.13. Определение абразивности горных пород

Целью работы является экспериментальное определение горно-технологического параметра—абразивности горных пород.

Сущность метода состоит в истирании об необработанную поверхность образца горной породы вращающегося стержня из незакаленной стали-серебрянки. Потеря массы стержня за время опыта принимается как характеристика абразивности породы.

Испытания проводят на сверлильном станке настольного типа (рис. 12.11), на шпинделе которого находится устройство, обеспечивающее постоянную осевую нагрузку, равную 150 Н. Скорость вращения шпинделя задается равной 400 об/мин.

Образец горной породы 1 зажимают в тисках 2 с деревянными прокладками 3 таким образом, чтобы исключить вибрацию образца, а истираемая поверхность была примерно перпендикулярна

шпинделю станка 4. В патроне закрепляют эталонный стержень 5, изготовленный из инструментальной калиброванной стали-серебрянки У8А (ГОСТ 2588—84) диаметром 8 мм. Изготовление стержней производят на токарном станке.

Пруток разрезают на части длиной 50—70 мм, чистой обточкой добиваются строгой перпендикулярности обоих торцов каждого стержня и высверливают центральное отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10—12 мм.

Определение абразивности породы производят «сверлением» образца породы предварительно взвешенным с точностью до 0, 1 мг эталонным стержнем. Сначала «сверлят» в течение 10 мин одним концом стержня, а затем в течение 10 мин — другим. При этом необходимо следить, чтобы нагрев не превышал 200—220°С (указанной температуре соответствует появление побежалости соломенно-желтого цвета).

После опыта стержень промывают бензином и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0, 1 мг. Стержни могут быть использованы повторно после заточки на токарном станке для удаления на торцах участков, получивших закругление. Применение стержней с закругленными торцами не допускается.

Показатель абразивности вычисляется на основании опыта по формуле

где G₁ — масса стержня до опыта, мг; G₂ — масса стержня после одного парного опыта, мг.

Результаты испытаний заносят в таблицу.

1 2 345