Механические свойства горных пород. Реологические свойства горных пород

1.

ТЕМА 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Лекция 9. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Механические характеристики горных пород определяют обычно при
кратковременном приложении нагрузок. Элементы же систем разработки, горные
выработки, крепи воспринимают нагрузки в течение многих лет.
Вопросами поведения материалов, в т.ч. и горных пород, в условиях длительных
силовых воздействий занимается реология - наука о течении вещества.
В зависимости от внешних условий, изменение напряженно-деформированного
состояния твердого тела во времени может идти двумя путями. Например, нагрузим
образец горной породы, имеющий форму цилиндра, некоторой постоянной
неразрушающей нагрузкой, создающей практически мгновенно вполне
определенную относительную деформацию, величина которой зависит от модуля
упругости материала и величины приложенной нагрузки. В последующие моменты
времени, несмотря на то, что напряжения не меняются, деформация не будет
оставаться постоянной, как это следует из закона Гука. Величина ее будет монотонно
возрастать.

2.

Реологическое явление, заключающееся в том, что с течением времени при
постоянном напряжении наблюдается рост деформаций, носит название ползучести.
В другом случае сдавим образец между двумя плитами пресса таким образом, чтобы
в течение всего опыта расстояние между ними было строго фиксированным, т.е. не
изменяющимся во времени. Станем измерять давление на плиты пресса со стороны
образца и убедимся, что со временем величина его будет падать. Это реологическое
явление носит название релаксации напряжений.
Задачей реологии является описание напряженно-деформированного состояния
горных пород и иных материалов с учетом их склонности к ползучести и релаксации.
Эта задача сводится к составлению так называемых уравнений состояния, т.е. таких
уравнений, которые связывают в единые соотношения компоненты напряжений,
деформаций и их производных по времени.
Во всех имеющихся исследованиях полагается, что уравнения состояния достаточно
точно описывают изменения напряженно-деформированного состояния материалов в
том случае, если внешние условия таковы, что ни деформации, ни напряжения нельзя
считать постоянными.

3.

Для наглядности представления реологических процессов обычно используют
метод структурных моделей. Этот метод состоит в том, что свойства тела
описываются при помощи особым образом подобранной механической модели.
Модель должна состоять из элементов, идеально отражающих основные –
фундаментальные – качества исходного материала.
Так, например, при определенном уровне нагрузок и достаточно быстром их
приложении все твердые и связные горные породы ведут себя как упругие тела,
подчиняющиеся закону Гука. Это свойство твердых тел моделируется пружиной,
жесткость которой пропорциональна модулю упругости (элемент Гука). Упругие
свойства твердых тел не зависят от времени: