The post-peak failure properties and deformational structures of rock under conventional triaxial compression conditions

• Autorzy: Bukowska M. , Sanetra U. , Wadas M.

Warianty tytułu

PL

Własności pozniszczeniowe i struktury deformacji skal w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of conventional triaxial compression tests conducted on samples of the Carboniferous and Triassic sandstones. The test results related to the Carboniferous sandstones from the Upper Silesian Coal Basin have been obtained for strain rates and confining pressures ranging from [...] and from O MPa to 70 MPa, respectively. The authors paid particular attention to the post-peak failure modulus, as it is the parameter which is most difficult to determine from the post-peak branch of the stress-strain curve obtained in a series of triaxial tests. Furthermore, a method is presented that has been designed to study microscopic deformational structures under conditions of high confining pressures of the order of 200 MPa to 300 MPa and the progressive axial shortening of the specimens ranging from 5% to 15%. The method makes it possible to determine the orientation of the microscopic fractures and cracks in rocks as a function of the distance from the macroscopic sliding surface.

PL

W artykule przedstawiono wyniki testów konwencjonalnego trójosiowego ściskania karbońskich i triasowych piaskowców drobnoziarnistych. Eksperymenty w trójosiowym stanie naprężenia, w warunkach konwencjonalnego trójosiowego ściskania zmierzające do określenia zależności pomiędzy modułem pokrytycznym a prędkością odkształcenia i ciśnieniem okólnym, prowadzono w serwosterowanej maszynie wytrzymałościowej MTS-810 NEW. Sterowanie maszyną wytrzymałościową odbywało się za pomocą prędkości przemieszczenia tłoka; różnym stałym prędkościom przemieszczenia odpowiadały prędkości odkształcenia próbek z przedziału od [...]. W badaniach stosowano komorę ciśnieniową typu KTK firmy UNIPRESS, która umożliwiła prowadzenie eksperymentów przy ciśnieniu okólnym sięgającym 70 MPa. Wyniki badań modułu pokrytycznego piaskowców karbońskich z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego przedstawiono w postaci zależności między modułem pokrytycznym a prędkością odkształcenia, przy ciśnieniu okólnym jako parametrze. Wartości modułu pokrytycznego jako funkcji prędkości odkształcenia dla piaskowca drobnoziarnistego zmieniają się zgodnie z funkcją potęgową, podobnie jak w wielu innych przypadkach ciała stałego. Ponieważ jednak prędkości zmieniają się w szerokim zakresie pięciu rzędów wielkości, bo od W-s do 10-1 S-I, moduł pokrytyczny wyrażono jako funkcję dziesiętnego logarytmu prędkości odkształcenia uzyskując zależność liniową. Oceniając wpływ wzrostu ciśnienia okólnego na moduł pokrytyczny stwierdzono, że wielkość modułu jest zróżnicowana i zależy od wartości ciśnienia i od typu skały. Generalnie jednak wzrost ciśnienia okólnego powoduje zmniejszenie się wartości modułu pokrytycznego. W przypadku piaskowców drobnoziarnistych zależność tę dla stosowanego zakresu ciśnień od O do 70 MPa najlepiej opisuje funkcja wielomianu drugiego stopnia. W dalszej części artykułu zaprezentowano metodę badań mikroskopowych struktur deformacji w warunkach wysokich ciśnień okólnych od 125 do 300 MPa i postępującego skrócenia osiowego próbek w zakresie od 5 do 15%, która pozwala określić orientację mikropęknięć i mikroszczelin w skale w funkcji odległości od makroskopowej powierzchni poślizgu. Badaniami objęto mikroskopowe struktury deformacji powstałe w próbkach piaskowca tumlińskiego podczas przeprowadzonego testu trójosiowego ściskania. Na podstawie obserwacji mikroskopowych struktur deformacji w próbkach piaskowca stwierdzono dwa typy niszczenia materiału skalnego. Pierwszy typ zniszczenia, który charakteryzuje się wyraźnym pojedynczym pęknięciem zaobserwowano w próbkach piaskowca badanych przy ciśnieniu okólnym poniżej 200 MPa. Drugi typ zniszczenia występował przy ciśnieniu okólnym powyżej 200 MPa. W próbkach piaskowca pojawiały się wtedy pojedyncze lub podwójne intensywnie spękane strefy w postaci pasm biegnących między dolną a górną podstawą próbki piaskowca. Znajomość wartości parametrów pozniszczeniowych skał i górotworu ma pierwszorzędne znaczenie dla rozwiązywania wielu złożonych zagadnień inżynierskich, w tym do prognozowania zachowania się górotworu na różnych głębokościach, projektowania obudowy wyrobisk górniczych czy prognozowania zagrożenia tąpaniami. Szeroka analiza struktur deformacyjnych obserwowanych w skali mikro, które powstają w skałach w wyniku ich zniszczenia, może znaleźć, poprzez pewne podobieństwo z powstającymi strukturami deformacyjnymi w warunkach naturalnego zalegania skał, zastosowanie przy wykrywaniu stref uskokowych i spękań wokół nich. Przy szerszym rozpoznaniu zagadnienia analiza ta może również okazać się przydatna w prognozowaniu niekorzystnych zjawisk geomechanicznych w górotworze.

Słowa kluczowe

EN

confining pressure; deformation; post-peak failure modulus; strain rate

PL

ciśnienie okólne; deformacja; moduł pokrytyczny; prędkość odkształcenia

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 52, no 3
• Strony: 297--310
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Bukowska M.

autor

Sanetra U.

autor

Wadas M.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1,40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• Bieniawski Z.T., Denkhaus H.G., Vogler U.W., 1969. Failure of fractured rock. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 6, pp. 323-341.
• Bieniawski Z.T., 1970. Time-dependent behaviour of fractured rock. Rock Mechanics, Vol. 2, No. 3, pp. 123-137.
• Bukowska M., 2000. The influence of strain rate on indices of rock bump susceptibility. Archives of Mining Sciences, Vol. 45, No. 1, pp. 23-45.
• Bukowska M., 2002. Geomechaniczne własności skał w aspekcie zagrożenia tąpaniami. Geomechanical properties of rocks from the rock burst hazard point view. Archives of Mining Sciences, Vol. 47, No. 2, pp. 111-138.
• Bukowska M., 2003. Post-critical properties of Carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under varying strain rate and confining pressure conditions. Archives of Mining Sciences, Vol. 48, No. 4, pp. 561-575.
• Bukowska M., 2005a. Mechanical properties of Carboniferous rocks in the Upper Silesian Coal Basin under uniaxial and triaxial compression tests. Journal of Mining Science. No. 2, vol. 41, pp. 129-133.
• Bukowska M., 2005b. Prognozowanie skłonności do tąpań górotworu metodą wskaźnikowej oceny geologicznogeomechanicznej w warunkach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Prace Naukowe GIG, nr 866. Katowice.
• Bukowska M., Krzysztoń D., 1994. Wpływ przedkrytycznych własności naprężeniowo-odkształceniowych na proces niszczenia próbek skalnych. Sympozjum Nauk.-Tech. Tąpania '94 nt.: Rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań, s. 19-28, Ustroń.
• Cain P.J., 1996. Control techniques for uniaxial compression tests in Rock Mechanics Research. Material test division MTS Systems Corporation, pp. 1-7.
• Krzysztoń D., Sanetra U., 2003. Investigations of rocks under triaxial compression at confining pressure from 0 to 70 MPa. Archives of Mining Sciences, Vol. 48, No. 2, pp. 231-253.
• Kwaśniewski M., 1986. Wpływ stanu naprężenia, temperatury i prędkości odkształcania na mechaniczne własności skał. Archiwum Górnictwa, t. 31, z. 2, s. 383-415.
• MTS, 1996. Technical Description of MTS Rock and Concrete Mechanics Testing Systems, 1996. Version 6. Appendix B - Post-failure Testing of Brittle Materials, pp. 135-142.
• Olsson W.A., 1991. The compressive strength of tuff as a function of strain rate from 10-6 to 103/sec. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 28, No. 1, pp. 115-118.
• Peng S.S., 1973. Time-dependent aspects of rock behaviour as measured by a servo-controlled hydraulic testing machine. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 10, No. 3, pp. 235-246.
• Peng S.S., 1978. Coal Mine Ground Control. John Wiley and Sons, New York.
• Pettijohn F.J., Potter P.E., Siever R., 1972. Sand and Sandstone. Springer-Verlag, Berlin, New York.
• Pinińska J., 1994. Właściwości wytrzymałościowe i odkształceniowe skał. Część I. Skały osadowe rejonu świętokrzyskiego. Wydział Geologii UW, Warszawa.
• Salamon M.G.D., 1970. Stability, instability and design of pillar workings. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 7, pp. 613-631.
• Sanetra U., 2004. Określenie nośności filarów oporowych w stanie pokrytycznym na podstawie badań trójosiowego ściskania karbońskich próbek skalnych. Praca doktorska (niepublikowana). GIG, Katowice.
• Sanetra U., 2005. Kąt tarcia wewnętrznego skał zalegających na różnych głębokościach. Miesięcznik WUG 6 (130), Warsztaty Górnicze, s. 54-46.
• Sanetra U., 2006. Krytyczne i pokrytyczne własności różnoziarnistych piaskowców karbońskich GZW badanych w trójosiowym ściskaniu. Miesięcznik WUG 6 (142), Warsztaty Górnicze, s. 42-44.
• Wadas M., 2005. Metoda badania zasięgu strefy zniszczenia wokół powierzchni mikropęknięć w ośrodku skalnym. Praca doktorska (niepublikowana). GIG, Katowice.
• Zorychta A., 1985. Wpływ postępu eksploatacji na potencjalny stopień zagrożenia tąpaniami. Kwartalnik AGH, t. 9. Seria Górnictwo, z. 2. s. 133-140.