Способ получения вязкоупругих характеристик модели ползучести горной породы на основе модуля деформации Российский патент 2024 года по МПК G01N3/08 G01N3/32 

Техническая область

Настоящее изобретение относится к способу, который может непосредственно вычислять характеристики модели ползучести горной породы через обычный модуль деформации горной породы, который относится к технической области горного машиностроения.

Уровень техники

Являясь основой для инженерного проектирования горных пород и оценки долгосрочной устойчивости, модели ползучести горных пород всегда были в центре внимания исследователей в области инженерии горных пород. К настоящему моменту было сделано много разработок для моделей ползучести горных пород различных типов, различных состояний устойчивости и различных траекторий напряжений. Существующие модели, определяющие ползучесть, в основном могут удовлетворить инженерные потребности, но ключевым по-прежнему остается вопрос определения вязкоупругих характеристик модели ползучести. В прошлом для получения характеристик модели ползучести горных пород зависимость между ползучестью и временем обычно добывалась с помощью испытаний в помещении, затем данные испытаний подгонялись с помощью определяющей зависимости для получения характеристик модели ползучести. Хотя этот метод отличается высокой точностью, он энергозатратный, и отнимает много времени.

Сущность изобретения

Ввиду недостатков существующего способа определения характеристик модели ползучести, настоящее изобретение обеспечивает метод определения вязкоупругих характеристик модели ползучести горных пород, основанный на модуле деформации.

Техническим решением, используемым в настоящем изобретении, является:

Способ получения вязкоупругих характеристик модели ползучести горной породы на основе модуля деформации, включает в себя следующие этапы:

(1) Проведение испытания на трехосное сжатие при различных значениях всестороннего давления для получения прочности и модуля деформации горных пород (при различных значениях всестороннего давления);

(2) Отображение в системе координат модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления, где всестороннее давление - абсцисса (горизонтальная координата), а модуль деформации - ордината (вертикальная координата), соотношение между ними устанавливается с помощью функции;

(3) Применение способа ступенчатого нагружения для проведения испытаний горных пород на ползучесть при различных значениях всестороннего давления;

(4) Получение зависимости между ползучестью горных пород и временем на основе данных о деформации ползучести под нагрузкой в соответствии с классификацией горных пород при различных значениях всестороннего давления;

(5) Отображение изохронной кривой «напряжения-деформации» породы в соответствии с кривыми ползучести при различных уровнях осевой нагрузки и определение длительной прочности породы в соответствии с изохронной кривой «напряжения-деформации» породы;

(6) Отображение кривой «всестороннее давление - длительная прочность», где всестороннее давление породы - абсцисса, а длительная прочность - ордината, соотношение между всестороннем давлением и длительной прочностью устанавливается с помощью функции;

(7) Получение кривой ускоренной ползучести в соответствии с соотношением между ползучестью породы и временем, полученным на этапе (4); получение у модели ползучести Бюргерса вязкоупругих характеристик с учетом повреждения для кривой ускоренной ползучести при помощи аппроксимации модели ползучести Бюргерса (с учетом повреждения);

(8) Получение модуля деформации при заданном значении всестороннего давления на этапе (2), затем в сочетании с вязкоупругими характеристиками модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения, полученными на этапе (7) - построение кривой «характеристик модели ползучести - модуль деформации», где модуль деформации - абсцисса, характеристика модели ползучести - ордината, соотношение между ними устанавливается с помощью функции;

(9) Получение модуля деформации и длительной прочности при значении всестороннего давления на основе заданного значения всестороннего давления, соотношения всестороннего давления и модуля деформации, заданного на этапе (2), и соотношения всестороннего давления и длительной прочности, заданной на этапе (6), и затем окончательное получение вязкоупругих характеристик и кривой времени ползучести модели ползучести Бюргерса при всестороннем давлении на основе соотношения между вязко-упругими характеристиками модели ползучести Бюргерса, заданными на этапе (7), и модулем деформации.

Категорически рекомендуется, чтобы на этапе (3): старт ступенчатого нагружения происходил с 60% прочности сопротивления на сжатие при соответствующем всестороннем давлении, затем, чтобы последовательно происходило повышение давления, каждый раз, когда амплитуда давления составляет от 5% до 10%, до тех пор, пока не произойдет ускоренное разрушение при ползучести.

Категорически рекомендуется, чтобы на этапе (7): выражение модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения выглядело следующим образом:

ε - деформация, σ - напряжение, m - характеристика, отражающая степень повреждения горной породы при ползучести, t - время, ε_с - вязкая деформация.

Полезные технические особенности настоящего изобретения:

Настоящему изобретению требуется лишь небольшое количество данных испытаний породы на ползучесть под всесторонним давлением для установления соотношения «модуль деформации - всестороннее давление», «длительная прочностью - всестороннее давление» и «характеристика модели ползучести - модуль деформации». На более позднем этапе, с помощью модуля деформации породы при определенном всестороннем давлении, возможно получить только характеристики модели ползучести при всестороннем давлении и длительной прочности и кривую испытания, отражающую весь процесс ускоренной ползучести материала. Метод в состоянии обеспечить точные и удобные определяющие уравнения для проектирования и оценки горных работ.

Описание фигур

На Фиг. 1 представлена технологическая схема реализации изобретения. Характеристики модели ползучести и процесс получения кривой ползучести на основе модуля деформации приведены на рисунке;

На Фиг. 2 показана кривая зависимости напряжения от деформации среднезернистого песка (песчаника) при значениях всестороннего давления - 1,5 МПа, 3,0МПа, 4,5 МПа и 6,0 МПа;

На Фиг. 3 показаны координатные точки модуля деформации - всестороннего давления и кривая сглаживания (кривая по точкам) среднезернистого песка (песчаника);

На Фиг. 4 показана кривая ползучести для 6 уровней напряжений среднезернистого песка при всестороннем давлении 1,5 МПа;

На Фиг. 5 показана кривая ползучести для 8 уровней напряжений среднезернистого песка при всестороннем давлении 3,0 МПа;

На Фиг. 6 показана кривая ползучести для 7 уровней напряжений среднезернистого песка при всестороннем давлении 4,5 МПа;

На Фиг. 7 показана кривая ползучести для 9 уровней напряжений среднезернистого песка при всестороннем давлении 6,0 МПа;

На Фиг. 8 показаны координатные точки длительной прочности - всестороннее давление и кривая сглаживания среднезернистого песка;

На Фиг. 9 показаны координатные точки характеристики - модуля деформации и кривая сглаживания модели ползучести среднезернистого песка. Две линии и на фигуре почти совпадают;

На Фиг. 10 показана диаграмма сравнения характеристик модели ползучести и экспериментальных данных, полученных по модулю деформации в соответствии с методом настоящего изобретения.

Конкретный способ реализации

Как показано на Фиг. 1, способ получения вязкоупругих характеристик модели ползучести горной породы на основе модуля деформации включает в себя следующие этапы:

(1) Проведение испытания на трехосное сжатие при различных значениях всестороннего давления для получения прочности и модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления;

(2) Отображение в системе координат модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления, где всестороннее давление - абсцисса, а модуль деформации - ордината, соотношение между ними устанавливается с помощью функции;

(3) Использование способа ступенчатого нагружения для проведения испытаний горных пород на ползучесть при различных значениях всестороннего давления; то есть - испытание на ползучесть при трехосном ступенчатом нагружении при различных значениях всестороннего давления. Старт ступенчатого нагружения происходит с 60% прочности сопротивления на сжатие при соответствующем всестороннем давлении, затем последовательно происходит повышение давления, каждый раз, когда амплитуда давления составляет от 5% до 10%, до тех пор, пока не произойдет ускоренное разрушение при ползучести.

(4) Построение кривой зависимости ползучести породы от времени для получения соотношения между ползучестью породы и временем на основе данных деформации ползучести породы, градиентно (ступенчато) нагруженной при различных значениях всестороннего давления.

(5) Построение изохронной кривой «напряжение - деформация» породы на основе кривой ползучести при различных уровнях осевого нагружения, и определение длительной прочности породы на основе изохронной кривой «напряжение-деформация» породы.

(6) Построение кривой «всестороннее давление - длительная прочность» на основе этапа (5), где всестороннее давление - абсцисса, длительная прочность - ордината, и получение соотношения между всесторонним давлением и длительной прочностью с помощью функциональной аппроксимации.

(7) Получение кривой ускоренной ползучести в соответствии с соотношением между ползучестью породы и временем, полученным на этапе (4); получение у модели ползучести Бюргерса вязкоупругих характеристик с учетом повреждения для кривой ускоренной ползучести при помощи аппроксимации модели ползучести Бюргерса (с учетом повреждения);

Выражение модели ползучести Бюргерса с учетом повреждений выглядит следующим образом:

ε - деформация, σ - напряжение, m - характеристика, отражающая степень повреждения горной породы при ползучести, t - время, ε_с - вязкая деформация.

(8) Получение модуля деформации при заданном значении всестороннего давления на этапе (2), затем в сочетании с вязко-упругими характеристиками модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения, полученные на этапе (7) - построение кривой «характеристик модели ползучести - модуль деформации», где модуль деформации горной породы - абсцисса, характеристики модели ползучести - ордината, соотношение между ними устанавливается подходящей функцией, так что можно дополнительно получить характеристики модели ползучести при заданном значении всестороннего давления.

(9) Получение модуля деформации и длительной прочности при значении всестороннего давления на основе заданного значения всестороннего давления, соотношения всестороннего давления и модуля деформации, заданного на этапе (2), и соотношения всестороннего давления и длительной прочности, заданной на этапе (6), затем получение вязкоупругих характеристик и кривой времени ползучести модели ползучести Бюргерса при всестороннем давлении на основе соотношения между вязко-упругими характеристиками модели ползучести Бюргерса, заданными на этапе (7), и модулем деформации.

Настоящему изобретению требуется лишь небольшое количество данных испытаний породы на ползучесть под всесторонним давлением для установления зависимости между модулем деформации всестороннего давления, длительной прочностью всестороннего давления и характеристикой модели ползучести - модуль деформации. На более позднем этапе, с помощью модуля деформации породы при определенном всестороннем давлении, возможно получить только характеристики модели ползучести при всестороннем давлении и длительной прочности и кривую испытания, отражающую весь процесс ускоренной ползучести материала.

Следующие конкретные примеры применения настоящего изобретения будут дополнительно описаны ниже:

Изобретение относится к способу получения вязкоупругих характеристик модели ползучести горной породы на основе модуля деформации. Процесс реализации показан на Фиг. 1. Его применение в вязкоупругих характеристиках модели ползучести среднезернистого песка (песчаника) и кривой ускоренной ползучести горной породы при заданном всестороннем давлении включает в себя следующие этапы:

(1) Проведение обычного испытания на трехосное сжатие среднезернистого песка (песчаник) при различных значениях всестороннего давления (1,5 МПа, 3,0МПа, 4,5МПа и 6,0МПа) для получения кривой зависимости напряжения от деформации песчаника (показано на фиг. 2), а также прочности и модуля деформации песчаника во всех вышеперечисленных значениях всестороннего давления.

(2) Отображение точки координат «модуля деформации - всестороннего давления» песчаника, аппроксимации и т.д. для получения соотношения между ними, как показано на Фиг. 3, где всестороннее давление песчаника - абсцисса, модуль деформации - ордината.

(3) Использование способа ступенчатого нагружения для проведения испытаний на ползучесть песчаника при четырех значениях всестороннего давления. Нагружение начинается примерно с 60% прочности на сжатие от соответствующего значениях всестороннего давления - выполняется первая стадия нагружения. После этого осуществляется ступенчатое нагружение в соответствии с градиентом напряжения 2,0 МПа, каждая ступень нагружается в течение 6 часов, пока не произойдет ускоренное разрушение при ползучести.

(4) Построение кривой времени ползучести при ступенчатом нагружении, как показано на Фиг. 4-7 на основе данных испытаний на ползучесть при ступенчатом нагружении песчаника при четырех значениях всестороннего давления.

(5) Построение изохронных кривых «напряжение-деформация» песчаника на основе кривых ползучести при различных уровнях осевой нагрузки, и получение значения длительной прочности песчаника при четырех значениях всестороннего давления, которое составило 19,5 МПа, 26,5 МПа, 29,0 МПа и 34 МПа соответственно, согласно изохронному методу получения длительной прочности «напряжение-деформация».

(6) Отображение точки координат всестороннего давления и длительной прочности для песчаника, и установление соотношения между ними, как показано на Фиг. 8, где всестороннее давление - абсцисса, длительная прочность - ордината.

(7) Получение вязкоупругих характеристик модели ползучести Бюргерса с учетом повреждений при помощи следующей формулы для аппроксимации кривой ускоренной ползучести.

ε - деформация, σ - напряжение, m - характеристика, отражающая степень повреждения горной породы при ползучести, t - время, ε_с - вязкая деформация.

(8) Построение координатных точек данных характеристик модели ползучести и модуля деформации, где модуль деформации песчаника - абсцисса, характеристики модели

ползучести - ордината, соотношение между ними устанавливается с помощью подходящей функции, как показано на Фиг. 9.

(9) При определенном значении всестороннего давления 4 МПа - получение значений, при которых модуль деформации среднезернистого песчаника составляет 5,89 ГПа, а длительная прочность 28,02 МПа в соответствии с зависимостью между модулем деформации при всестороннем давлении и длительной прочностью при всестороннем давлении. Затем получение вязкоупругих характеристик модели Бюргерса при данном всестороннем давлении, которое составило 14,26 ГПа, 13,38 ГПа*ч, 129,83 ГПа, 172,47 ГПа*ч соответственно, исходя из известной зависимости вязкоупругих характеристик модели Бюргерса от модуля деформации.

(10) С помощью полученных выше характеристик модели при ускоренной ползучести под всесторонним давлением 4 МПа можно получить кривую «ползучесть - время» при нагружении 28,02 МПа, как показано на Фиг. 10, и при сравнении с экспериментальными данными видно, что характеристики модели ползучести, полученные через модуль деформации, лучше описывают поведение породы при ускоренной ползучести.

Части, не упомянутые в приведенных выше методах, могут быть достигнуты путем внедрения или использования существующих технологий.

Приведенное выше является лишь предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения. Следует отметить, что для обычного технического персонала в области технологии, не отходя от принципа настоящего изобретения, может быть выполнен ряд улучшений. Улучшения также следует рассматривать как сферу охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к технической области горного машиностроения. При реализации способа осуществляют следующие этапы: - проведение испытания на трехосное сжатие при различных значениях всестороннего давления для получения прочности и модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления; - использование метода ступенчатого нагружения для проведения испытаний на ползучесть горных пород при различных значениях всестороннего давления; - в соответствии с заданным значением всестороннего давления и установленным соотношением «всестороннее давление - модуль деформации» и соотношением «всестороннее давление - длительная прочность» - получение модуля деформации и длительной прочности при данном значении всестороннего давления. Затем в сочетании с соотношением между вязкоупругими характеристиками и модулем деформации вязкости модели ползучести Бюргерса получение вязкоупругих характеристик модели и кривой ползучести. Технический результат: возможность определения вязкоупругих характеристик модели ползучести горных пород, основанная на модуле деформации. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ получения вязкоупругих характеристик модели ползучести горных пород на основе модуля деформации, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

(1) проведение испытания на трехосное сжатие при различных значениях всестороннего давления для получения прочности и модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления;

(2) отображение в системе координат модуля деформации горных пород при различных значениях всестороннего давления, где всестороннее давление – абсцисса - горизонтальная координата, а модуль деформации – ордината - вертикальная координата, соотношение между ними устанавливается с помощью функции;

(3) применение способа ступенчатого нагружения для проведения испытаний горных пород на ползучесть при различных значениях всестороннего давления;

(4) получение соотношения между ползучестью горных пород и временем на основе данных о деформации ползучести под нагрузкой в соответствии с классификацией горных пород при различных значениях всестороннего давления;

(5) отображение изохронной кривой «напряжения - деформации» породы в соответствии с кривыми ползучести при различных уровнях осевой нагрузки и определение длительной прочности породы в соответствии с изохронной кривой «напряжения - деформации» породы;

(6) отображение кривой «всестороннее давление - длительная прочность», где всестороннее давление породы - абсцисса, а длительная прочность - ордината, соотношение между всесторонним давлением и длительной прочностью устанавливается с помощью функции;

(7) получение кривой ускоренной ползучести в соответствии с соотношением между ползучестью породы и временем, полученным на этапе (4); получение у модели ползучести Бюргерса вязкоупругих характеристик с учетом повреждения для кривой ускоренной ползучести при помощи аппроксимации модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения;

(8) получение модуля деформации при заданном значении всестороннего давления на этапе (2), затем в сочетании с вязкоупругими характеристиками модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения, полученными на этапе (7) - построение кривой «характеристик модели ползучести - модуль деформации», где модуль деформации - абсцисса, характеристика модели ползучести - ордината, соотношение между ними устанавливается с помощью функции;

(9) получение модуля деформации и длительной прочности при значении всестороннего давления на основе заданного значения всестороннего давления, соотношения всестороннего давления и модуля деформации, заданного на этапе (2), и соотношения всестороннего давления и длительной прочности, заданной на этапе (6), и затем окончательное получение вязкоупругих характеристик и кривой времени ползучести модели ползучести Бюргерса при всестороннем давлении на основе соотношения между вязкоупругими характеристиками модели ползучести Бюргерса, заданными на этапе (7), и модулем деформации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе (3), где: ступенчатое нагружение начинают осуществлять с 60% прочности сопротивления на сжатие при соответствующем всестороннем давлении, затем последовательно происходит повышение давления, каждый раз, когда амплитуда давления составляет от 5% до 10%, до тех пор, пока не произойдет ускоренное разрушение при ползучести.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выражение модели ползучести Бюргерса с учетом повреждения на этапе (7) является следующим:

,

где: ε - деформация, σ - напряжение, m - характеристика, отражающая степень повреждения горной породы при ползучести, t - время, ε_с - вязкая деформация.