Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca z szorstkimi i gładkimi pęknięciami

Transkrypt

1 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Mariusz WADAS Główny Instytut Górnictwa, Katowice Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca z szorstkimi i gładkimi pęknięciami Streszczenie Badaniom trójosiowego ściskania poddano próbki piaskowca z szorstkimi i gładkimi pęknięciami. W badaniach zastosowano ciśnienie okólne 10 i 30 MPa oraz prędkość odkształcenia wynoszącą 10-4 i 10-2 s -1. Badano wpływ prędkości odkształcenia, ciśnienia okólnego oraz rodzaju szczelin (szorstka i gładka) na naprężenie krytyczne i moduł odkształcenia podłużnego piaskowców. Porównano kształt charakterystyki naprężeniowo odkształceniowej dla próbek piaskowca ze szczeliną szorstką i gładką. 1. Wstęp W Laboratorium Geomechaniki Górniczej Głównego Instytutu Górnictwa prowadzone są dla potrzeb górnictwa i geologii prace badawcze nad własnościami naprężeniowo odkształceniowymi skał w złożonych stanach naprężeń. Przedmiotowe opracowanie zostało wykonane w ramach projektu badawczego KBN i obejmowało badania piaskowca w trójosiowym stanie naprężeń. Do badań zastosowano trójosiową komorę wysokociśnieniową 70 MPa typ KTK, kompresor 70 MPa typ U2 oraz maszynę wytrzymałościową MTS 810 New. Eksperyment sterowano prędkością odkształcenia podłużnego próbki o wartościach 10-2 i 10-4 s -1. Badania prowadzono przy dwóch wartościach ciśnienia okólnego: 10 MPa i 30 MPa. Badano wpływ prędkości odkształcenia, ciśnienia okólnego oraz rodzaju szczelin (szorstka i gładka) na naprężenie krytyczne i moduł odkształcenia podłużnego piaskowców. Uzyskane zależności porównano z modelowymi charakterystykami odkształceniowymi skał (Kwaśniewski 1983). 2. Metodyka i technika badań 2.1. Przygotowanie próbek piaskowca do badań Badaniom poddano drobnoziarnisty piaskowiec pobrany z warstw rudzkich ze stropu pokładu 502/II w KWK Polska. Z próbek bryłowych piaskowca wywiercono rdzenie o średnicy 30 mm za pomocą wiertarki SBEL model 1150, następnie przycięto je na długość 60 mm (smukłość 2) piłą tarczową Clipper Major. W badaniach trójosiowych zastosowano próbki piaskowca z dwoma typami szczelin tj. ze szczeliną naturalną (szorstką) i sztuczną (gładką). Szczelina naturalna powstała wskutek ścięcia próbki piaskowca wzdłuż płaszczyzny poślizgu podczas badań wytrzymałościowych w trójosiowym stanie naprężeń. Szczelinę sztuczną wykonano poprzez przecięcie piłą tarczową Clipper Major próbek piaskowca pod 405

2 M. WADAS Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca... kątem około 30 względem osi pionowej walca (Armitrano i Hantz 1998). W celu zabezpieczenia próbek przed penetracją do wnętrza skały oleju (olej Shell Tellus T 15) wywierającego ciśnienie okólne zastosowano osłonki i pierścienie gumowe. Natomiast aby zapewnić centryczne ułożenie próbki pomiędzy podkładkami stalowymi w komorze zastosowano wąż termokurczliwy Polfit, który pod wpływem temperatury obkurczył się tworząc szczelną elastyczną warstwę przylegającą do powierzchni walca i podkładek. Obciążając próbki skalne w komorze trójosiowej, w pierwszej kolejności poddawano je działaniu hydrostatycznego stanu naprężenia 1 = 2 = 3 odpowiadającego zadanemu ciśnieniu okólnemu p (10 lub 30 MPa). Następnie, utrzymując stałe ciśnienie okólne p = 2 = 3 zwiększano za pomocą prasy MTS-810 New obciążenie pionowe aż do całkowitego zniszczenia próbki Badanie próbek piaskowca ze szczeliną szorstką Do badań zastosowano próbki piaskowca ze szczeliną szorstką uprzednio poddane badaniom wytrzymałościowym w trójosiowym stanie naprężeń. Odzyskane po badaniach próbki piaskowca zachowały naturalny stan zniszczenia (szczeliny i pęknięcia) powstały podczas testu wytrzymałości, próbki te posiadały płaszczyznę ścinania nachyloną od 17 do 30 względem osi pionowej walca (rys. 2.1.). Badane próbki piaskowca wykazały generalnie pojedyncze pęknięcie ścinania typu S (Kwaśniewski 1983). Rys Próbka piaskowca ze szczeliną naturalną (szorstką) w trójosiowym ściskaniu Fig Sandstone sample with natural (rough) fracture in triaxial compression Płaszczyzna ścinania podzieliła próbkę walcową generalnie na dwa fragmenty charakteryzujące się przełamem wklęsło-wypukłym. Po oczyszczeniu powierzchni przełamu ze skruszonego materiału skalnego połączono rozdzielone części walca w jedną całość za pomocą niewielkiej ilości kleju Butapren. Następnie, na tak przygotowaną próbkę piaskowca założono 406

3 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie osłonę gumową z pierścieniami oraz wąż termokurczliwy według procedury opisanej powyżej, osadzono w komorze i wykonano badania w trójosiowym stanie naprężeń. W badaniach zastosowano ciśnienie okólne o wartości 10 i 30 MPa oraz prędkość odkształceń podłużnych wynoszącą 10-2 i 10-4 s Badanie próbek piaskowca ze szczeliną gładką Szczelinę gładką w próbce piaskowca wykonano za pomocą piły Clipper Major poprzez przecięcie walca pomiędzy górną i dolną podstawą pod kątem około 30 względem osi pionowej próbki (rys. 2.2.). Rys Próbka piaskowca ze szczeliną sztuczną (gładką) w trójosiowym ściskaniu Fig Sandstone sample with artificial (smooth) fracture in triaxial compression Za pomocą niewielkiej ilości kleju połączono rozcięte części walca w jedną całość. Następnie, na tak przygotowaną próbkę założono osłonę gumową z pierścieniami oraz wąż termokurczliwy według procedury opisanej powyżej, osadzono w komorze i wykonano badania w trójosiowym stanie naprężeń. W badaniach zastosowano ciśnienie okólne o wartości 10 i 30 MPa oraz prędkość odkształceń wynoszącą 10-2 i 10-4 s Analiza wyników badań Z uzyskanej charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowej określono wytrzymałość próbki i moduł odkształcenia podłużnego. Ponadto analizowano kształt zależności naprężeniowo-odkształceniowych ze względu na charakter niszczenia badanej próbki skalnej. 407

4 M. WADAS Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca Próbki piaskowca ze szczeliną szorstką Na podstawie uzyskanych wyników badań prowadzonych z prędkością odkształcenia podłużnego 10-4 s -1 można stwierdzić że, wytrzymałość próbek piaskowca ze szczeliną szorstką przy wzroście ciśnienia okólnego od 10 do 30 MPa wzrasta od wartości 69,4 do 113,2 MPa tj. o 63,1%. Również wartość modułu odkształcenia podłużnego wzrasta od 4,167 do 6,862 GPa (64,7%). Przebieg krzywych naprężenie-odkształcenie dla próbek piaskowca przy ciśnieniu okólnym 10 i 30 MPa charakteryzuje się ciągliwą i przejściową (rys i 3.2.) charakterystyką odkształcenia. Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną szorstką przy prędkości odkształcenia 10-4 s -1 i ciśnieniu okólnym 10 MPa Fig. 3.1 Stress-strain curve for sandstone with rough fracture at strain rate 10-4 s -1 and confining pressure 10 MPa Przy zastosowaniu większej prędkości odkształcenia 10-2 s -1 nie zaobserwowano wpływu wzrostu ciśnienia bocznego w zakresie MPa na zmianę wartości wytrzymałości badanych próbek piaskowca ze szczeliną szorstką. Przebieg krzywych naprężenie-odkształcenie dla próbek piaskowca przy ciśnieniu okólnym 10 MPa cechuje się ciągliwą i przejściową (rys. 3.3.), natomiast przy ciśnieniu okólnym 30 MPa ciągliwą (rys. 3.4.) charakterystyką odkształcenia. 408

5 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną szorstką przy prędkości odkształcenia 10-4 s -1 i ciśnieniu okólnym 30 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with rough fracture at strain rate 10-4 s -1 and confining pressure 30 MPa Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną szorstką przy prędkości odkształcenia 10-2 s -1 i ciśnieniu okólnym 10 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with rough fracture at strain rate 10-2 s -1 and confining pressure 10 MPa 409

6 M. WADAS Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca... Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną szorstką przy prędkości odkształcenia 10-2 s -1 i ciśnieniu okólnym 30 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with rough fracture at strain rate 10-2 s -1 and confining pressure 30 MPa Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną gładką przy prędkości odkształcenia 10-4 s -1 i ciśnieniu okólnym 10 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with smooth fracture at strain rate 10-4 s -1 and confining pressure 10 MPa 410

7 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 3.2. Próbki piaskowca ze szczeliną gładką Wytrzymałość próbek piaskowca ze szczeliną gładką przy wzroście ciśnienia okólnego w zakresie MPa, przy prędkości odkształceń 10-4 s -1 zwiększyła się znacznie od wartości 39,7 do 114,3 MPa tj. o 187,9%. Natomiast wartość modułu odkształcenia podłużnego wzrosła w zakresie 4,540 7,035 GPa co stanowi 54,9%. Przebieg zależności naprężenie odkształcenie dla próbek piaskowca przy ciśnieniu okólnym 10 MPa cechuje się kruchą (rys. 3.5.) i przejściową, natomiast przy ciśnieniu bocznym 30 MPa przejściową (rys. 3.6.) charakterystyką odkształcenia. Przy prędkości odkształcenia podłużnego wynoszącej 10-2 s -1 i wzroście ciśnienia okólnego w zakresie MPa stwierdzono zwiększenie wytrzymałości próbek piaskowca ze szczeliną gładką od wartości 47,7 do 85,2 MPa tj. o 78,6%. Natomiast wartość modułu odkształcenia podłużnego przy wzroście ciśnienia okólnego zwiększyła się nieznacznie od wartości 5,092 do 5,624 GPa co stanowi około 10,5%. Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną gładką przy prędkości odkształcenia 10-4 s -1 i ciśnieniu okólnym 30 MPa Fig.3.6. Stress-strain curve for sandstone sample with smooth fracture at strain rate 10-4 s -1.and confining pressure 30 MPa Wykresy zależnosci naprężenie odkształcenie dla próbek piaskowca przy ciśnieniu okólnym 10 MPa cechują się kruchą i przejściową (rys. 3.7.) charakterystyką odkształcenia. Przy wzroście ciśnienia okólnego do 30 MPa przebiegi krzywych naprężenie odkształcenie posiadają charakterystyką odkształcenia od kruchej przez przejściową do ciągliwej (rys. 3.8.). 411

8 M. WADAS Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca... Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną gładką przy prędkości odkształcenia 10-2 s -1 i ciśnieniu okólnym 10 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with smooth fracture at strain rate 10-2 s -1 and confining pressure 10 MPa Rys Krzywa naprężenie-odkształcenie dla próbki piaskowca ze szczeliną gładką przy prędkości odkształcenia 10-2 s -1 i ciśnieniu okólnym 30 MPa Fig Stress-strain curve for sandstone sample with smooth fracture at strain rate 10-2 s -1 and confining pressure 30 MPa 412

9 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań w trójosiowym stanie naprężeń przy ciśnieniu okólnym wynoszącym 10 i 30 MPa i prędkości odkształcenia podłużnego równej 10-2 i 10-4 s -1. Przeprowadzonym dla próbek piaskowca z dwoma rodzajami szczelin można stwierdzić co następuje: 1. Przy prędkości odkształcenia podłużnego 10-4 s -1 występuje wzrost wytrzymałości piaskowca w zależności od ciśnienia okólnego, który zmieniał się dla piaskowców ze szczeliną szorstką od wartości 69,4 do 113,2 MPa (co stanowi 63,1%) a dla próbek ze szczeliną gładką od 39,7 do 114,3 MPa (tj. 187,9%). Przy ciśnieniu okólnym 10 MPa na wzrost wytrzymałości miał wpływ typ szczeliny, mianowicie piaskowiec ze szczeliną szorstką charakteryzował się o 74,8% (wzrost od wartości 39,7 do 69,4 MPa) większą wytrzymałością od próbek ze szczeliną gładką. Przy wyższym ciśnieniu okólnym wartości wytrzymałości stabilizowały się na porównywalnym poziomie. Przy ciśnieniu okólnym równym 10 MPa zaobserwowano, że przebiegi krzywych naprężenie odkształcenie piaskowców ze szczelinami gładkimi cechują się kruchą i przejściową charakterystyką odkształcenia, natomiast pod wpływem wzrostu ciśnienia okólnego do 30 MPa występuje jedynie przejściowa charakterystyka odkształcenia. Próbki piaskowca z szorstką szczeliną nie wykazują zmiany charakterystyki odkształcenia (przejściowa i ciągliwa charakterystyka) pod wpływem wzrostu ciśnienia. 2. Przy prędkości odkształcenia próbek wynoszącej 10-2 s -1 zwiększając ciśnienie boczne w zakresie MPa dla piaskowców ze szczeliną gładką zaobserwowano wzrost wytrzymałości od wartości 47,7 do 85,2 MPa (tj. 78,6%). Natomiast dla próbek ze szczeliną szorstką wartości wytrzymałości pod wpływem zmiany ciśnienia okólnego wykazały niewielkie zróżnicowanie (około 3%). Przy ciśnieniu okólnym 30 MPa na wzrost wytrzymałości miał wpływ typ szczeliny, mianowicie piaskowiec ze szczeliną gładką charakteryzował się o 71,4% (wzrost od wartości 49,7 do 85,2 MPa) większą wytrzymałością od próbek ze szczeliną szorstką. Przy ciśnieniu okólnym 10 MPa wartości wytrzymałości stabilizowały się na równym poziomie. Pod wpływem wzrostu ciśnienia okólnego od wartości 10 do 30 MPa zmienia się charakterystyka odkształcenia dla piaskowców ze szczelinami gładkimi z kruchej i przejściowej na kruchą, przejściową i ciągliwą. W przypadku próbek ze szczelinami szorstkimi zaobserwowano zmianę charakterystyki z przejściowej i ciągliwej na ciągliwą charakterystykę odkształcenia. Praca wykonana w ramach projektu badawczego nr 9 T12A finansowana przez KBN. Literatura [1] Amitrano D., Hantz D. 1998: Acoustic emission of jointed and intact granite during triaxial compresion test. Mechanics of Jointed and Faulted Rock, Balkema, [2] Kwaśniewski M. 1983: Odkształceniowe i wytrzymałościowe własności trzech strukturalnych odmian piaskowców karbońskich w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania. Archiwum Górnictwa, Tom 28, Zeszyt nr 4,

10 M. WADAS Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca... Stress strain characteristic for sandstone samples with rough and smooth fractures Sandstone samples with rough and smooth fractures have been investigated in triaxial compression. The confining pressure of 10 and 30 MPa and strain rate of 10-4 and 10-2 s -1 were applied in conducted tests. The influence of the strain rate, confining pressure and type of fracture (rough and smooth) on the critical stress and modulus of deformation were determined. The shape of stress-strain characteristics for sandstone samples with rough and smooth fractures were compared. Przekazano: 28 marca