Đang tải... (xem toàn văn)
Tính chất cơ học 1. khái niệm Các tính chất cơ học của đá và khối đá bao gồm mọi phản ứng (hay sự ứng phó, biểu hiện) của chúng khi chịu tác dụng của các trường cơ học (hay các tác động cơ học). Các tính chất cơ học thường được phân ra hai nhóm là các biểu hiện biến dạng và biểu hiện phá hủy, mặc dù các biểu hiện này chỉ là các dấu hiệu của một quá trình thống nhất và liên tục. Biểu hiện biến dạng phản ánh khả năng biến dạng, nghĩa là khả năng biến đổi hình dạng, kích thước của đá và khối đá trong trạng thái chịu tải nhất định. Điều đó có nghĩa là biểu hiện biến dạng được xác định bởi các mối quan hệ giữa các đại lượng: ứng suất, biến dạng, thời gian (trong nhiều trường hợp có kể đến cả nhiệt độ) cùng với các tham số đặc trưng cho các mối quan hệ đó. Mối quan hệ giữa các đại lượng ứng suất và biến dạng cũng còn được gọi là các định luật vật liệu, phương trình vật lý và thường được biểu diễn dưới dạng tổng quát:
Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất BÀI TIỂU LUẬN Môn : Cơ Học Đá ĐỘ BỀN CƠ HỌC ĐÁ VÀ VAI TRÒ CỦA CƠ HỌC ĐÁ TRONG LĨNH VỰC KHAI THÁC MỎ Giáo viên giảng dạy : Ts Trần Tuấn Minh Sinh viên : Phạm Văn Quyết MSSV : 1421040228 Lớp: Khai thác C , K59 Phần mở đầu Khái niệm Đá :Trong học đá, đá hiểu mẫu đá, cục đá phần đá rắn cứng bao quanh mặt phân cách (khối nứt) khối đá Vì vậy, đá hiểu với nghĩa hẹp đá liền khối hay đá nguyên vẹn Kích thước chúng thường chất học không 50 cm Các tính chất chúng nghiên cứu phòng thí nghiệm Tính chất học khái niệm Các tính chất học đá khối đá bao gồm phản ứng (hay ứng phó, biểu hiện) chúng chịu tác dụng trường học (hay tác động học) Các tính chất học thường phân hai nhóm biểu biến dạng biểu phá hủy, biểu dấu hiệu trình thống liên tục Biểu biến dạng phản ánh khả biến dạng, nghĩa khả biến đổi hình dạng, kích thước đá khối đá trạng thái chịu tải định Điều có nghĩa biểu biến dạng xác định mối quan hệ đại lượng: ứng suất, biến dạng, thời gian (trong nhiều trường hợp có kể đến nhiệt độ) với tham số đặc trưng cho mối quan hệ Mối quan hệ đại lượng ứng suất biến dạng gọi định luật vật liệu, phương trình vật lý thường biểu diễn dạng tổng quát: F(σ,σ ,ε,ε ,t,T) = Trong đó: σ - ứng suất; σ -Tốc độ thay đổi ứng suất; ε - Biến dạng tỷ đối; ε - Tốc độ biến dạng tỷ đối; t - Thời gian; T - Nhiệt độ; (*) Các hệ số xuất biểu thức (*) tham số có ý nghĩa học định gọi tham số học hay tiêu học Biểu phá hủy phản ánh khả chịu tải hay khả mang tải gọi độ bền dạng phá hủy đá, khối đá có tác dụng ngoại lực Như độ bền chúng đặc trưng đại lượng ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn qua trạng thái ứng suất giới hạn trạng thái biến dạng giới hạn Các giá trị giới hạn thông thường biểu thị ranh giới chuyển tiếp từ trạng thái học sang trạng thái học khác, chẳng hạn từ trạng thái ổn định sang trạng thái phá hủy toàn phần, từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo Tùy theo biểu khả mang tải vật thể, mô trạng thái giới hạn phương trình dạng tổng quát sau: S(σ1*,σ2*,σ3*) = D(ε1*,ε2*,ε3*) = Q(σ1*,σ2*,σ3*,ε1*,ε2*,ε3*) = Trong đó: σ*,ε* - ứng suất biến dạng trạng thái giới hạn Các tính chất học đá khối đá nghiên cứu phương pháp thí nghiệm phòng thí ngiệm thí nghiệm trường nhằm xác định quy luật với tham số học đặc trưng cho quy luật Các phương pháp thí nghiệm đơn giản thông dụng phòng thí nghiệm cắt, uốn, kéo, nén đơn trục hay hai, ba trục, với: +Tốc độ tăng tải không đổi +Tải trọng không đổi +Tốc độ biến dạng không đổi Các thí nghiệm trường để xác định tham số học khối đá thông thường là: nén, kéo, cắt mẫu khối đá, nén tấm, nén lỗ khoan hay đường hầm Nói chung biểu biến dạng phá hủy đá khối đá đa dạng phức tạp, chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Các dạng phá hủy Quá trình phá huỷ đá Dưới tác dụng ngoại lực đá bị biến dạng, tốc độ tăng tải tải trọng nhanh tốc độ biến dạng lớn Lúc đầu trình biến dạng đàn hồi sau biến dạng không đàn hồi (biến dạng dẻo, biến dạng nhớt) tích lũy đá tăng dần dạng biến dạng đến đạt tới giá trị cực đại chuyển hóa thành động năng, lượng liên kết giải thoát đá bị phá hủy Các dạng phá huỷ Từ kết nghiên cứu, thí nghiệm, trước hết phân biệt ba chế phá hủy đá là: phá hủy tách; phá hủy cắt/trượt; phá hủy cấu trúc hay phá vỡ cấu trúc a) b) c) Hình Các chế phá huỷ a) Phá huỷ tách b) Phá huỷ cắt c) Phá huỷ cấu trúc Phá hủy tách chế phá hủy thường xảy kéo đơn trục, kéo tách, nén đơn trục nén ba trục với áp lực ngang nhỏ Dưới tác dụng ứng suất, tồn đặc điểm không đồng đá (có chỗ cứng, có chỗ mềm), nên hình thành ứng suất kéo cục bộ, dẫn dến vết nứt vi mô Tiếp tục tăng tải, vết nứt liên thông với hay nối lại với tạo cột đá bị nén gẫy bi đẩy trượt Phá hủy cắt thường xuất đá chịu tác dụng trạng thái ứng suất đa trục Góc phá hủy phụ thuộc vào góc ma sát đá điều kiện biên Phá hủy cấu trúc thường hình thành điều kiện áp lực lớn từ phía Trong trường hợp không hình thành mặt phá hủy xác định, phá hủy xảy phá hủy cấu trúc bên hay cấu trúc hạt đá Phân tích biểu phá hủy liên quan với biểu biến dạng mẫu thí nghiệm phân biệt ba dạng biểu phá hủy là: phá hủy dòn; phá hủy dẻo phá hủy dòn - dẻo σ = 0MPa a) σ = 3,5MPa b) σ = 35MPa c) σ = 100MPa d) Hình 2.1 Các biểu phá huỷ mẫu đá hoa nén ba trục a) Dòn b) Dòn – dẻo Biểu phá hủy dòn thường quan sát loại đá có tính biến dạng đàn hồi, quan sát thấy loại đá có tính biến dạng không đàn hồi tốc độ tăng tải đủ lớn Trong trường hợp này, thời điểm bị phá hủy, biến dạng tỷ đối ε nhỏ, công học tích lũy mẫu đá dạng đàn hồi giải phóng mẫu thí nghiệm bị phá hủy gây tiếng nổ nhẹ Phá hủy dòn - dẻo thường thấy loại đá có tính chất biến dạng đàn hồi - dẻo dẻo - đàn hồi - dẻo tốc độ tăng tải không lớn Trong mẫu thí nghiệm xuất thành phần biến dạng dẻo với biến dạng đàn hồi Tại thời điểm mẫu bị phá hủy, mẫu xuất khe nứt, biến dạng dẻo thể qua tượng trượt dọc theo khe nứt Phá hủy dẻo xuất loại đá có tính chất biến dạng chảy dẻo chảy nhớt loại đá này, trình chất tải thường làm thay đổi tính chất học vật lý đá Biến dạng theo phương tác dụng lực (biến dạng dọc) theo phương vuông góc với lực tác dụng (biến dạng ngang) thường lớn, hệ số biến dạng ngang thường xấp xỉ 0,5 Ngoài ra, thực nghiệm cho thấy trạng thái nén nhiều trục, thành phần ứng suất đủ lớn, đá chuyển từ biến dạng dòn sang biến dạng dẻo bị phá hủy dẻo hay nói cách khác chuyển từ trạng thái ổn định, biến dạng tỉ lệ sang trạng thái dẻo Bảng Phân nhóm theo độ dòn/dẻo σN*/σK* Nhóm biểu phá hủy >20 Rất dòn 20 ÷ 10 Dòn 10 ÷ Dai (dẻo) [...]... khi lựa chọn hình dạng công trình ngầm xây dựng trong khối đá (tránh gây ra ứng suất kéo trong khối đá) 3 Vai trò cơ học của việc xác định độ bền cơ học của đá Tính chất cơ học của đá ảnh hưởng đến quá trình công nghệ và chống giữ khi thi công các đường lò trong lòng đất Sự hình thành các trầm tích là nguyên nhân tạo nên các tính chất cơ học của đá khác nhau khi tác động vào chúng theo các hướng khác... nào cần chống giữ , nơi nào không Nhận biết được những nguy hiểm trong khai phá và khai thác khoáng sản ở các khu mỏ * * * Tài liệu tham khảo: • Giáo trình Cơ học đá và khối đá( TS Trần Tuấn Minh) • Cơ học đá( GS.TS Nguyễn Quang Phích) • Cơ học đá ( Võ Trọng Phùng ) XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN ! ... động cơ học (khoan, nổ hay cắt) để phá vỡ đá Quá trình phá đá có thể góp phần giữ cho đá xung quanh đường lò không bị giảm đáng kể mức độ ổn định hay tác động mạnh làm cho khối đá bị nứt nẻ do công nghệ làm mất ổn định Trong quá trình thiết kế, thi công đường lò mỏ, một số đặc tính về độ bền về cấu trúc đá được quan tâm đó là độ bền nén dọc trục, môđun đàn hồi hay sự nứt nẻ, phân lớp, góc dốc của lớp đá ... theo khối lớn, mà ngay trong cùng một loại đá cũng có sự khác nhau, không những về cấu tạo hạt mà còn khác biệt về tính chất cơ học mà đặc trưng nhất là độ bền nén dọc trục Khi nén một mẫu đá theo hướng vuông góc với lớp và dọc theo lớp đá cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa độ bền nén vuông góc luôn lớn hơn so với dọc theo lớp Ngoài ra, với cùng một loại đá, nhưng tại mỗi vị trí khác nhau (độ sâu,... lớp, góc dốc của lớp đá Một số ứng dụng khác cho việc xác định độ bền của đất đá trong thực tế là nó được ứng dụng để lựa chọn, sơ bộ tính toán các loại hình, phương pháp chống giữ ổn định trong các công trình ngầm và ổn định trong các bờ dốc đá khác nhau Hình 3 Kết cấu chống giữ các đường hầm Việc xác đinh độ bền cơ học của đá còn giúp cho chúng ta có thể nhận biết được nhưng nơi nào cần chống giữ ,... C Hình Thiết bị dùng để thí nghiệm cắt đá 4 5 P 1 2 3 1- Bộ ngàm cắt ; 2- Khuôn cắt ; 3- Bộ nêm góc 4- Tấm đệm ; 5- Dàn con lăn ; 6- Mẫu đá 6 1 α 3 Các kết quả cho thấy quy luật 4 σ K* < σ U* < τ C* < σ N* chung là: 5 4 Như vậy khả năng chịu kéo của các loại đá nói chung yếu hơn khả năng khả năng chịu nén Đặc điểm này rất cần được chú ý trong công tác phá vỡ đá (gây ra tác động dẫn đến phá hủy) cũng... mà tại đó đá bị uốn gẫy Mẫu thí nghiệm dạng thanh có chiều dài l = 120 ÷ 200 mm, kích thước mặt cắt ngang b = 15 ÷ 20 mm, h = 10 ÷ 15 mm đặt trên hai gối tựa cách nhau một khoảng l1 Đặt tải trọng P ở giữa thanh đá Tăng P đến giá trị Pu thì đá bị gẫy Khi đó độ bền uốn được xác định theo công thức: σ U* = P l M = 1,5 u 2 W b.h Hình 2 Thí nghiệm xác định độ bền uốn Sơ đồ thí nghiệm chống uốn đá tổng quát... trị số giới hạn của ứng suất kéo một trục mà tại đó đá bị kéo đứt độ bền kéo được xác định trên các mẫu tương tự như mẫu của thí nghiệm nén Có thể xác định độ bền kéo theo một trong hai phương pháp: • Kéo trực tiếp Hình 2.1 Xác định độ bền kéo bằng phương pháp kéo trực tiếp k 4 Pmax σ = π d 2 * K Xác định gián tiếp (phương pháp gần đúng): nén mẫu đá hình trụ theo đường sinh của mẫu n 2 P σ K* = max... Hình 2 Thí nghiệm xác định độ bền uốn Sơ đồ thí nghiệm chống uốn đá tổng quát 4 Độ bền cắt Độ bền cắt (cường độ kháng cắt) là trị số giới hạn của ứng suất cắt mà tại đó đá bị cắt đứt Xác định độ bền cắt bằng thí nghiệm trên máy nén Mẫu đá thí nghiệm (tương tự như mẫu để xác định độ bền nén, kéo) được đặt vào khuôn cắt gồm hai mảnh đặt ngược chiều nhau Mẫu trong các đợt thí nghiệm được đặt nghiêng với