Способ испытаний механических свойств горной породы Советский патент 1984 года по МПК E21C39/00 

//////////////////////////////////.

/йй/ 6

f ЛУ

АВМ

л

15

/

/1аслостанцил

О5 СЛ 00

12

13

СГ

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для испытания механических свойств горных пород.

Известен способ испытаний механических свойств горной породы, включающий установку образца под пресс, сжатие его и измерение усилий, деформаций и акустической эмиссии I.

Недостатком данного способа является низкая точность результатов испытания из-за мягкой нагрузочной характеристики устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ испытаний механических свойств горной породы, включающий жесткое нагружение образца, изменение его деформации, величины нагрузки и суммарной энергии акустической эмиссии, по соотношению которых судят о механических свойствах горной породы 2.

Недостатком известного способа является низкая точность результатов испытаний из-за несоответствия режима жесткого нагружения образца реальным условиям. В лабораторных условиях реактивную компоненту противодавления задают максимально возможной, что повышает жесткость испытательного устройства. В реальном горном массиве жесткость системы «вмещающие выработку породы - горный массив изменяется в процессе деформирования за счет растрескивания горной породы. При прочных монолитных горных породах массив может накапливать упругую потенциальную энергию деформирования, способную при определенных условиях к выделению в кинетическую энергию в виде ударов, внезапных отжимов и других динамических явлений. Разрущивщиеся или сильно треихиноватые горные породы не склонны к такому поведению, их деформирование протекает плавно, без динамических импульсов. Таким образом, нагрузочная жесткость реального горного массива повышается при его разрушении, что не учитывается в известном

способе испытаний.

Цель изобретения -- повышение точности результатов испытаний за счет приближения жесткости нагрузочной характеристики к реальным условиям.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу испытаний механических свойств горной породы, включающему жесткое нагружение образца, измерение его деформации, величины нагрузки и суммарной энергии акустической эмиссии, по соотнощению которых судят о механических свойствах горной породы, жесткость нагружения изменяют пропорционально суммарной энергии акустической эмиссии образца.

Изменение жесткости нагружения в зависимости от суммарной энергии акустической эмиссии позволяет учесть влияние нарущенности породы на режим ее нагружения, приблизив его к реальному.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа. 5 Образец 1 песчаника устанавливают под плиты пресса 2 и 3 рядом с гидродомкратами 4 и 5. На образце 1 закр2пляют тензометрические датчики 6 деформации и акустические датчики 7, над образцом у :танавливают силоизмеритель 8, акустический дат0 чик 7 и гидродомкраты 4 и 5 соединены с соответствующими преобразователями 9-11. Преобразователи 9-11 подключены к аналоговой вычислительной машине 12 (АВМ). АВМ также подключена к преобразователю 13 управляющего сигнала, имеющего связь с регулируемым дросселем 14. Дроссель подключен между гидродомкратами 4 и 5 и маслостанцией 15.

Вначале плитами пресса 2 и 3 создают в образце сжимающее напряжение и плав3 но его увеличивают (со скоростью 0,5- 1,0 МПа/мин). При этом давление в гидродомкратах 4 и 5 равно нулю (равна нулю соответственно и жесткость нагрузочной характеристики). В момент возникновения акустической эмиссии от образца, фиксиру5 ют ее датчиком 7 и передают сигнал на преобразователь 9 - накопитель энергии сигналов.

АВМ вычисляет текущую жесткость нагрузочной характеристики по показаниям силоизмерителя 8 и преобразователя II, а 0 также необходимую жесткость по показаниям акустического датчика 7. Затем АВМ сравнивает значения текущей и необходимой жесткостей нагрузочной характеристики. Если значение текущей жесткости меньше необходимого уровня, АВМ выдает управляющий сигнал через преобразователь 13 на дроссель 14, открывая его, в результате чего давление от маслостанции 15 попадает в гидродомкраты 4 и 5.

Анализ имеющихся результатов показал, что коэффициент жесткости нагрузочной характеристики U удобно определять по следующей зависимости:

и К Я+и,.

где - начальное значение жесткости;; К - коэффициент пропорциональности; д - приведенная к единице давления удельная энергия акустической эмиссии (энергия, излучаемая единицей объема породы при приложении единичной нагрузки), Дж/м/МПа.

Под коэффициентом жесткости нагрузочной характеристики понимают величину, определяемую из уравнения:

-22

где РО - общая нагрузка от пресса, МНа; РП - полезная часть нагрузки, приложенная к образцу 1 и фиксируемая силоизмерителем 8 Для образцов с пределом прочности на сжатие не более 50 МПа близкую к абсо- . лютной жесткую нагрузочную характеристику нагружеиия удается создать лишь при условии U 8-10. Этому зиачеиню соответствует коэффициент пропорциональности К (1.6-2)-10 Таким образом, при моделировании разрушения образца в слабых трещиноватых породах коэффициент пропорциональности между энергией акустической эмиссии и жесткостью нагрузочной характеристики следует принимать равным около 2-10. При моделировании процесса разрушения образца в прочных монолитных породах (например, для имитации горных ударов) коэффициент необходимо уменьшить до (0,7-1,0) 10 Использование предлагаемого способа испытаний механических свойств горных пород позволяет повысить точность результатов исследований за счет приближений жесткости нагрузочной характеристики к реальным условиям. В частности, способ позволяет более полно оценивать удароопасность горных пород, поскольку последняя изменяется не только от скорости деформирования и механических свойств породы, но н от жесткости нагрузочной характеристики вмещающего массива. При учете последнего обстоятельства погрешность оценки уменьшается в 1,5-2 раза. Так, при оценке удареопасности путем нагружения образца известным способом жесткость характеристики принимается максимально возможной на весь период испытаний. Это приводит к весьма опасной погрешности, так как при идеально жестком нагружении удароопасные породы могут быть переведены в разряд неудароопасных. Испытания кварцевого песчаника по известной методике с поддержанием максимальной жесткости нагружения показа; ли, что его предел прочности на сжатие равен 72 МПа, а коэффициент хрупкости 0,58, что позволило отнести песчаник к неудароопасному. Испытание этого же песчаника предлагаемым способом дало следующие результаты: средний предел прочности 66,3 МПа, коэффициент хрупкости 0,87, т.е. песчаник - удароопасен. Удароопасность песчаника подтвердилась и при определении ее по методике ВНИМИ.

СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ, включающий жесткое нагружение образца, измерение его деформации, величины нагрузки и суммарной энергии акустической эмиссии, по соотношению которых судят о механических свойствах горной породы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности результатов испытаний за счет приближения жесткости нагрузочной характеристики к реальным условиям, жесткость нагружения изменяют пропорционально суммарной энергии акустической эмиссии образца.