Способ испытания образцов горных пород Советский патент 1987 года по МПК E21C39/00 

1 . . 13520562 .

Изобретение относится к горному разца заполняют цементно-песчаным делу, в .частности к методам определе- раствором, прочность которогр через ния физико-механических свойств об- 24 ч достигает величины 15 МПа, что разцов горных пород.соответствует прочности образца угля

при одноосном сжатии. Перед началом нагружения обеспечивают (путем фиксации соответствующих плит) на время всего испытания отсутствие деформа- ностей в область пластической и за- to ° ° - образца. Затем проводят предельной стадий деформирования, предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива. Для этого в соответствии с указанной выборкой об- 15 разца из бокового обнажения массива вначале нагружают образец по оси X до величины 0,2-0,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца. Образец наЦель -изобретения - повьшение точности и достоверности за счет приближения условий испытания к натурным и расширение функциональных возможобеспечение испытания образцов, выбранных из массива около протяженной горизонтальной вьфаботки посредством- вертикальной скважины.

На фиг.1 показан режим нагружения (зависимость напряжения 4 от времени t) образца, выбранного из бокового

3 обнажения массива (1- - .,

6х); на фиг.2 - деформации | образца 20гружают до величины 2,7 Ша, что

во времени t , 1 -.2 , на фиг.З-составляет 0,, при Н 360 м

зависимость напряжений от деформа-и

ций (Ьё feb 2 ( на фиг.4 - зависимость коэффициента

1,42 г/см (объемная масса

и V .

угля). При этом деформация по оси X составляет Р 0,002. После этого Пуассона ц от деформаций ( 25 (в момент времени t., фиг.1) напря- С) 2 - /i (x)j на фиг.5 - зависи- жение по оси X образца поддерживают

постоянным и одновременно начинают

нагружение по оси Z образца до величины, при которой достигается равекмость секущих модулей Е от деформаций (1-Е, f(fp 2 - Е f (f); на фиг.6 - режим нагружения (зависимость

напряжения 6 от времени t) образца, выбранного из массива посредством . вертикальной скважины ( э 2 -(э,э 3 -6х).2

Осуществление способа испытания

30 ство напряжений по осям X и У образца. При ё &у 2,7 МПа (время 12), достигает значения 17,0 МПа, деформация F 0,0058. При достижении равенства напряжений по осям X и У

образцов горной породы иллюстрируется обеспечивают (путем фиксации плит) следующим примером.отсутствие деформаций по оси X образца и снимают полностью нагрузку по оси Z (время tj). Остаточные деформации при этом составляют Е 0,0015

40 и 0,002 мм. На этом заканчивают предварительное нагружение.

После этого измерители деформаций по двум осям X и Z устанавливают в нулевые положения и начинают новый

45 этап нагружения по оси образца до достижения горизонтальными напряжениями j и у заданной в данном опыОбразец угля выбирают из бокового обнажения протяженной горизонтальной выработки на глубине 360 м. Образцу придают кубическую форму (50х50х х50 мм), так, что его грани совпада- . ют, соответственно, с направлениями вдоль выработки (ось У образца), поперек выработки (ось X образца) и вдоль вертикали (ось Z образца).

Отделение куска угля от стенки выработки производят в два этапа. Сначала намеченньй объем угля подрубают те величины. В данном случае планиру- сверху и снизу, чтобы произошло окон- ют провести опыт при ( const чательное освобождение угля от вер- 2,7 МПа. В момент времени t, .ког- тикальной нагрузки, затем произво- да горизонтальные напряжения достигают дят подработку по бокам, а также от- этой величины, запрет деформаций по оси деление куска от массива.X снимают, а величину напряжения 6х

.Образец кубической формы размеща- поддерживают далее постоянной. После ют между плитами нагружающего устрой- g этого процесс испытания образца про- ства, покрытыми тонким слоем битума, исходил при следующих динамических снижающего трение образца о плиты. и кинематических условиях: активное Зазоры (около 1 мм) между контактны- нагружение по оси Z, пассивные напря- ми поверхностями плит и гранями об- жения по осям X и У, при этом 6х

и 0,002 мм. На этом заканчивают предварительное нагружение.

После этого измерители деформаций по двум осям X и Z устанавливают в нулевые положения и начинают новый

этап нагружения по оси образца до достижения горизонтальными напряжениями j и у заданной в данном опыте величины. В данном случае планиру- ют провести опыт при ( const 2,7 МПа. В момент времени t, .ког- а горизонтальные напряжения достигают этой величины, запрет деформаций по оси X снимают, а величину напряжения 6х

313

0. Такие условия испы const, а е тания в совокупности с проведенным перед этим переходом образца к состоянию нетронутого массива в должной степени выполняют динамические и кинематические условия подобия лабораторных испытаний натуре. При дальнейшем нагружении после момента t напряжения 6х остаются постоянными, если нагружение по оси Z производят достаточно медленно, а напряжения (эу по оси У возрастают как функции 6 и ёд . Начиная с момента tj измеряют деформации , а с t и деформащш f , До момента tj в образце происходят нелинейные упругие и упруго-пластические деформагщи. После потери образцом прочности в момент t; начи- нают преобладать линейные, и нелинейные вязко-упругие и вязко-пластические деформации. По окончании испытаний определяют физико-механические параметры образца и оценивают прочность.

Для данных конкретных условий испытания образца уравнения обобщенного закона Гука имеют вид

г ((.} (1)

(, (2)

(3)

а

По уравнению (3) определяют значения коэффициента Пуассона и строят в зависимости его от деформаций 5х (фиг.4), которые в первом приближении можно выразить как

f 0,16 + 8,25 i (4) |u 0,75 + 10,05 (5)

Используя полученные из уравнения (3) значения f., а также зафиксированные значения х ° уравне-. ниям (1) и (2) находят обычные модули :упругости поперек Е, и вдоль Е напластований, а также секущие модули Е, и Е

X

Е 1,85 - 10 - 28,75-10 Е. 0,7 10 - 7,5

2

Ш

По полученным значениям секущих модулей строят их зависимости от деформаций и (фиг. 5).

Подставив уравнения (4)-(7) в уравнения (1) и (2), можно получить новые уравнения для расчета величин деформаций и. Р на всех тех стадиях, для которых закономерности (4)-(7) являются действительными.

Используя известные в теориях упругости и пластичности зависимости, по полученньм экспериментальным данным можно рассчитать объемный модуль 15 К, модуль сдвига G, октаэдрические Нормальные и касательные напряжения и деформации, интенсивность напряжений и деформаций, параметр вида напряженного состояния Надаи-Лоде, а 20 также параметр вязкости - коэффициент поперечной деформаций f и параметр пластичности G .

Имея данные испытаний образцов при различных значениях 6, можно 25 построить огибающую предельных кругов Мора. Такой паспорт прочности с боль-/ шой достоверностью и точностью отражает прочность массива вследствие близости условий испытаний к натурным .

В случае испытания образцов, выбранных из массива посредством вертикальной скважины, предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива, проводят (учитывая, что при выбуривании из массива образец первоначально полностью разгружается от напряжений по оси Z., упруго восстанавливаясь в этом направлении, а по горизонтальным осям не расщиряется) путем обеспечения ртсутствия деформаций по оси X и затем нагружают образец по оси Z до величины, при кото- 45 рой напряжения по осям X и У достигают величины (0,2-0,25)-уН и полностью снимают нагрузку по оси Z образца. На этом заканчивается предварительное нагружение и в дальнейшем испытания проводятся аналогично описанному испытанию образца из бокового обнажения массива.

Изобретение позволяет повысить точность и достоверность получаемых экспериментальных данных за счет соблюдения условий динамического и кинематического подобия при предварительном и основном нагружениях образца; расширить функциональные возможности

30

35

40

50

55

способа, распространив его на пластические и запредельные стадии деформации за счет принятой схемы испытания, когда f О, благодаря чему возникает -возможность более длительное :время исключить выдавливание испытываемой породы за пределы объема, образуемого плитами нагружающего устройства.

Формула изобретения

1. Способ испытания образцов гор-. ных пород, включающий размещение об- разца кубической формы между имеющими антифрикционное покрытие штитами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, создание заданного напряженного состояния, изме.рение напряжений и деформаций образца и оценку прочности на основании измеренных величин отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности за счет прибли- жения условий испытания к натурным и ра.спшрения функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования, образец горной породы вырезают из масси-; ва так, что его грани совпадают соответственно с направлениями вдоль протяженной горизонтальной выработки (ось У образца), поперек вьгработки (ось X образца) и вдоль вертикали (ось Z образца), затем обеспечивают на все время испытания отсутствие деформаций по оси У образца и проводят предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива, после чего осуществляют5 при отсутствии деформаций по осям X и У образца, нагружение по оси Z до достижения напряжения по оси X заданной величины, снимают ограничение с деформаций по

0

g Q 25 0

5

0

5

ОСИ X образца и поддерживают напряжение по этой оси постоянный, а напряжение по оси Z образца постепенно увеличивают до запредельной области деформирования, при этом в качестве антифрикционного покрытия используют битум, а зазоры между гранями образца и контактными поверхностями плит заполняют твердеющим составом, близким по прочности к испытуемому образ- ЦУ2,Способ поп,1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения испытания образцов, выбранных из бокового обнажения массива в горизонтальной горной выработке, предварительное нагружение проводят по

оси X образца до величины 0,2-0,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца, поддерживают это напряжение постоянным и осуществляют постепенно увеличивающееся нагружение по оси Z образца до достижения равенства напряжений по осям X и У образца, после чего обеспечивают отсутствие деформаций по оси X образца и полностью снимают нагрузку по оси Z образца.

3.Способ ПОП.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения испытаний образцов, выбранных из массива около протяженной горизонтальной выработки посредством верти-, кальной-скважины, предварительное нагружение проводят путем обеспечения отсутствия деформаций по оси X образца, затем осуществляют постепенно увеличивающееся нагружение.по оси

Z образца до достижения напряжениями по осям X и У образца величины 0,2- 0,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца и полностью снимают нагрузку по оси Z образца.

0,2Sirff

8 tf

30 t Mt/M.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения физико-механических свойств образцов Горных пород. Цель изобретения - повышение точности, достоверности за счет приближения условий испытания к натурным, и расширение функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования.. Для этого вырезают образец горной породы кубической формы из массива так, что его грани совпадают соответственно с направлениями вдоль протяженной горизонтальной выработки (ось У), поперек выработки (ось Х) и вдоль вертикали (ось Z). На все время испытаний обеспечивают отсутствие деформации по оси У образца. Проводят предварительное нагружение образца, обеспечивающее переход его к состоянию нетронутого массива. Затем осуществляют при отсутствии деформаций по осям X и У образца нагружение по оси Z до достижения напряжения по оси X заданной величины. Поддерживают напряжение по оси X постоянным. Напряжение по оси Z .постепенно увеличивают до запредельной области деформирования. В качестве антифрикционного покрытия образца используют битум. Зазоры между гранями образца и контактными поверхностями плит заполняют твердеющим составом, близким по прочности к испытуемому образцу. i (Л С

б.МПв

30

0.01 0.02 О.ОЪ

Фие. 3

ом ff.05

f-ttr мла 30

O.Ot 0,02 ff,ff3 0,0 « фиеЛ

Й7

Ю

S й toZ дез Г O.eS 0.06 фиа.З

жзвд

{а.г-о.га )1н

оТГ fr

и is fs