Особенности разрушения горной породы при вдавливании

Сферы и усеченного конического индентора

 Главной особенностью вдавливания инденторов такой геометрии в горную породу является увеличение площади контакта индентора с горной породой. Сфера радиуса R вдавливается силой F в плоскую поверхность образца (Рис. 7).

В результате, на поверхности горной породы образуется круговой контур давления радиуса a, который растет с увеличением силы F. Распределение контактного давления на полупространство вдоль диаметра контура 2а описывается уравнением эллипса:

P_к = P_max (a² – r² )^0.5 / a,

где P_max  = 3F/ 2π a² – максимальное значение контактного давления на оси симметрии r = 0.

При вдавливании сферы в поверхность горной породы также возникает две экстремальные области, имеющие следующие координаты. Коор-динаты первой области

           │ r │ = a, z = 0,

координаты второй области

r = 0, z = z ^* = 0,47 a.

В этих областях реализуются два механизма разрушения.

Структура поля напряжений под сферой такая же, как и под цилинд-рическим индентором, только область всестороннего сжатия значительно меньше. Это означает, что эффективность разрушения при вдавливании сферы меньше, чем в случае вдавливания цилиндрического индентора. С другой стороны, при вдавливании сферы на б о льшую величину можно увеличивать усилие вдавливания F. Это связано с тем, что сферический ин-дентор не теряет устойчивость и при больших усилиях вдавливания (если цилиндрический штамп может изогнуться и, тем самым выйти из строя, то со сферой этого не произойдет при данных значениях осевого усилия).

При вдавливании усеченного конического индентора в горную породу площадь вдавливаемого торца индентора определяется с учетом величины приведенного диаметра d _пр:

      d _пр = d _o + d_пл^. tg a,

где d _o - диаметр вдавливаемого торца усеченного конического индентора, d_пл - величина необратимой деформации, определяемая из деформационной кривой, a - угол при вершине конического индентора.

Непрерывное увеличение площади контакта сферы и усеченного конуса с горной породой при вдавливании в горную породу приводит к возникновению дополнительного разрушения породы в области, прилегающей к контурной линии (окружности).

Рассмотренные механизмы разрушения горных пород при вдавливании инденторов различной геометрии не учитывают значительного увеличения температуры горной породы забоя при работе породоразрушающего инструмента: в месте контакта с инструментом поверхностный слой горной породы нагревается до нескольких сотен градусов. Это приводит к росту пластических свойств горной породы.