ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ХРУПКОЙ СРЕДЕ ПРИ ЕЁ РАЗРУШЕНИИ УДАРНЫМ СПОСОБОМ ЧЕРЕЗ ШПУР

Научная статья
Выпуск: № 1 (8), 2013
Опубликована:
2013/02/08
PDF

Цыганков Д. А.

Доцент, кандидат технических наук, Институт горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН)

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В ХРУПКОЙ СРЕДЕ ПРИ ЕЁ РАЗРУШЕНИИ УДАРНЫМ СПОСОБОМ ЧЕРЕЗ ШПУР

Аннотация

В работе приведены результаты сравнительного обоснования величин отклонений продольных трещин от прямолинейного направления при разрушении камня естественного происхождения шпуровым методом с применением жидкости, пластичного вещества и клина. Для этого проводились теоретические исследования по определению напряжений, возникающих на различных расстояниях от вершин формируемых в нём трещин. Результаты исследований применяются в горном деле при открытой разработке природного камня блоками.

Ключевые слова: напряжение, разрушение, шпур, пластичное вещество.

Keywords: stress, destruction, blasthole, plastic substance.

В основу исследований была положена специфика трёх возможных случаев разрушения камня естественного происхождения жидкостью, пластичным веществом и клином через шпуры с трещинами, характеризуемыми одинаковыми геометрическими параметрами. Отличие заключалось в степени заполнения формируемых трещин и самих шпуров разрушающим материалом, посредством которого осуществлялось ударное воздействие на хрупкую среду.

Для производства расчётов использовались следующие исходные данные: давление, которое необходимо создать в шпуре для начала и продолжения процесса разрушения мрамора (не менее) – 45 МПа; радиус шпура – 25 мм; длина формируемой трещины – 0,2 м; предельные растягивающие напряжения для мрамора – σp = 20 МПа; предельные сжимающие напряжения для мрамора – σc = 160 МПа; коэффициенты трения о стенки трещины: жидкости – 0, пластичные вещества – 1, клинья – 0; коэффициенты заполнения трещины: жидкости – 1, пластичные вещества – 0,6, клинья – 0.

Целью расчётов являлось определение горизонтальных σx и вертикальных σy растягивающих напряжений, образующихся в вершинах продольных и поперечных трещин, принимаемых со знаком «минус». При этом учитывались связанные с ними отклонения формируемых трещин от горизонтального и вертикального направления.

Задача решалась с применением систем дифференциальных уравнений второго порядка, реализованных в средствах компьютерного моделирования Comsol Multiphysics 3.5 [1].

Для жидкостей получены следующие значения искомых величин (рисунок 1).

Рисунок 1 – Горизонтальные (А) и вертикальные (Б) напряжения, возникающие в мраморе при формировании трещин жидкостью, во взаимосвязи с их отклонениями от горизонтального (А) и вертикального (Б) направления.

Из рисунка 1А видно, что разрушение мрамора жидкостью происходит при максимальных горизонтальных напряжениях до 102,5 МПа, а вертикальных - до 110 МПа (рисунок 1Б). При этом максимальное отклонение формируемых трещин по горизонтали (рисунок 1А) составляет ± 20 мм, а по вертикали ± 75 мм (рисунок 1Б) на каждые 200 мм их длины.

Для пластичных веществ получены следующие значения искомых величин (рисунок 2).

Рисунок 2 – Горизонтальные (А) и вертикальные (Б) напряжения, возникающие в мраморе при формировании трещин пластичным веществом, во взаимосвязи с их отклонениями от горизонтального (А) и вертикального (Б) направления.

Из рисунка 2А видно, что разрушение мрамора пластичным веществом происходит при максимальных горизонтальных напряжениях до 88 МПа, а вертикальных - до 110 МПа (рисунок 2Б). При этом максимальное отклонение формируемых трещин по горизонтали (рисунок 2А) составляет ± 14 мм, а по вертикали ± 75 мм (рисунок 2Б) на каждые 200 мм их длины.

Для клиньев получены следующие значения искомых величин (рисунок 3).

Рисунок 3 – Горизонтальные (А) и вертикальные (Б) напряжения, возникающие в мраморе при формировании трещин клином, во взаимосвязи с их отклонениями от горизонтального (А) и вертикального (Б) направления.

Из рисунка 3А видно, что разрушение мрамора клином происходит при максимальных горизонтальных напряжениях до 102,5 МПа, а вертикальных - до 110 МПа (рисунок 3Б). При этом максимальное отклонение формируемых трещин по горизонтали (рисунок 3А) составляет ± 20 мм, а по вертикали ± 75 мм (рисунок 3Б) на каждые 200 мм их длины.

При разрушении мрамора через шпуры трещинами небольшой длины (до 200 мм) жидкостью или клином вертикальные (до 110 МПа) и горизонтальные (до 102,5 МПа) напряжения, возникающие в нём, а также отклонения формируемых трещин от прямолинейного направления по вертикали (± 75 мм) и горизонтали (± 20 мм) – одинаковы.

Из этого следует, что при разрушении мрамора через шпуры пластичным веществом горизонтальные напряжения, возникающие в нём, снижаются на 14,1 % (до 88 МПа), а отклонения формируемых трещин от прямолинейного направления по горизонтали – на 30 % (до ± 14 мм) [2].

Поскольку напряжения, возникающие в вершине трещины и в направлении её дальнейшего развития, относящиеся к разрушению горных пород пластичным веществом наименьшие, то оно происходит в более узком пространственном диапазоне. С этим связано то, что отклонения формируемых таким способом трещин от прямолинейного направления – самые малые.

Литература

  1. D. A. Tsygankov. The brittle materials destruction geotechnological peculiarities with the plastic materials and substances application in the shock regime // International Journal of Applied and Fundamental Research. – 2012. - № 1. – P. 36-38.
  2. A. Tsygankov. Comparative evaluation of tension that arise in natural stone during its destruction with liquids, plastic substances and gads // European Journal of Natural History. – 2012. - № 5. – P. 34-35.

Список литературы