Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород Советский патент 1992 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к механике разрушения горных пород и может быть использовано для определения величины у-уделъной поверхностной энергии (УПЭ) горных пород и других хрупких материалов,

В основу аналоговых методов экспериментального определения УПЭ положено измерение разрушающей нагрузки геометрически правильных тел, ослабленной трещиной, прочность которых описывается аналитически.

Известен способ растяжения полуплоскости с прямолинейной трещиной, выходящей на ее границу, монотонно растягивающими сосредоточенными силами. Предполагается изготовление из куска исследуе-. мой породы пластинки, нанесение искусственной трещины и испытание образца по принятой схеме. В результате определялась разрушающая нагрузка Р, а у определялась по формуле

у.

Р2

ЯГЕЬГ где 1о - длина трещины;

Е - модуль Юнга материала;

Г- значение модуля сцепления для плоского напряженного состояния, определяется по номограмме.

Известен также инженерный метод, предполагающий изготовление пластинки с определенными геометрическими размерами, нанесение искусственной трещины и испытание образца изгибом. В результате определяется разрушающая нагрузка Р. Расчет у производится по формуле

7rP2B2f(A)

.. Y Е h2 Н3

где В - плечо действия нагрузки Р; h - толщина образца; Н-высота образца;

Х|

Ю

ю

ю

- размер трещины;

Я -п - относительная длина трещины.

f (А) определяется из графика.

Указанные методики имеют существенные недостатки. Во-первых, возникают значительные трудности в изготовлении тонких пластин из исследуемых пород и нанесении искусственных трещин (практически получаются надрезы), необходим также учет ориентации слоистости пород, Во-вторых, поскольку в процессе нагружения образцов реализуется нормальный отрыв., то в результате определяется в основном упругая составляющая УПЭ и незначительно ее пластическая часть, т.е. учитывается в основном отрывной механизм разрушения.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения удельной поверхностной энергии твердых тел, включающим нанесение искусственно образованной одиночной центральной трещины в цилиндрическом образце с отношением диаметра к толщине больше двух, раскалывание образца по образующей на прессе по направлению, совпадающем с длинной осью трещины.

Недостатком способа является невысокая точность попученных данных, применимость только при разрушении однородных материалов путем нормального отрыва, когда величина вновь образованной поверхности равна площади сечения образца,

Горные породы - это полиминеральные и многофазные системы. В объемном поле сжимающих напряжений, какое присуще горному массиву, разрушение происходит в основном за счет прорастания сдвиговых трещин, а не трещин отрыва. Кроме того, происходит смена зернограничного разрушения по зернам породообразующих минералов. При этом удельная поверхностная энергия возрастает. Процесс нанесения центральной искусственной трещины требует специального оборудования.

Цель изобретения - повышение точности способа определения удельной поверхностной энергии горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения удельной поверхностной энергии горных пород, по которому нагружают образцы горной породы до разрушения, регистрируют параметры деформирования и разрушения и по ним определяют удельную поверхностную энергию, используют два идентичных образца, нагружение которых осуществляют трехосным неравнокомпонентным сжатием, а в качестве параметров деформирования м разрушения определяют плотность энерги

деформирования и удельную поверхность разрушения.

Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород при объемном сжатии осуществляют следующим образом,

Изготавливают на камнерезном станке из одного и того же куска породы два образца цилиндрической или кубической формы с

различными геометрическими размерами (идентичные образцы). Основание образца ориентируют параллельно слоистости. Образцы разрушают в объемном поле сжимающих напряжений на специальном

объемном прессе (стабилометр), по одной и той же схеме нагружения CTI С2 оз, моделирующей реальные условия массива горных пород, Например, пусть

20

(71 02 Оз

где 02 4 ;аз ЯсТ1:А Т :

Оз -р g Н ; CTI , 02 , Оз -главные сжимающие

напряжения;

Я- коэффициент бокового распора;

р- плотность пород

v- коэффициент Пуассона,

g - ускорение свободного падения; Н - глубина залегания массива.

Минимальная компонента напряжений Оз определяется весом вышележащих пород и равна оз р дН. Промежуточное напряжение оа обеспечивает вид напряженного состояния, обобщенный сдвиг {,% 0),

01 +0з

т.е 02 -р-; а максимальное напряжение Oi определяется при разрушении образцаФиксируются полые диаграммы Среднее напряжение - объемная деформация и Касательное напряжение - касательная деформация на октаэдрической площадке

для обоих образцов, Плотность энергии деформирования есть сумма плотностей энергии изменения объема и энергии изменения формы, которые определяются с помощью планиметра как площади под соответствующими диаграммами. Увеличение объема образца при пластическом разупрочнении (дилатансии) А(9 определяют как разницу между предельным уменьшением объема при сжатии и остаточной объемной деформации после разрушения, а величину вновь образованной поверхности определяют с помощью ситового анализа. По полученным данным определяют величину удельной поверхности разрушенного материала Sv как отношение вновь образованной поверхности ДЗн к абсолютному увеличению объема образца при пластическом разупрочнении (дилатансии) Д0 V.

Sv

Д& №

Удельную поверхностную энергию разрушения породы определяют как отношение разницы плотностей энергии деформирования двух образцов м разницы их удельных поверхностей ASV

AW

У ЈБ

Предлагаемый способ определения удельной поверхностной энергии горных пород реализован следующим образом,

Два призматических образца песчаника с размерами 63,2 х 54,6 х 52,1 мм - образец № 1 и 66,8 х 63,8 х 63,4 мм - образец № 2 разрушают при одной и той же схеме нагружения rr-i О2 оз 5 МПа. Прочность образца № 1 составила (71 109.5 МПа, образца Мг2- 101,8 МПа.

Суммарная плотность энергии деформирования и разрушения образца № 1, определенная по сумме площадей соответствующих диаграмм, составляет 14,8 МДж/м , для образ ца № 2 - 15,8 МДж/м3. Величина дилатансии для образца № 1 - 0,6%, для № 2 - 0,1% Величина пластически деформируемого обьема, оцениваемая по величине дилатансии. составляет 1,068 м3 и 0,270 м3 соответственно. Величина вновь образованной поверхности, полученная с помощью ситового анализа, для образца № 1 составляет

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения удельной поверхностной энергии горных пород. Цель изобретения - повышение точности определения эне ргии. Используют два идентичных, образца. На- гружение образцов осуществляют трехосным неравнокомпонентным снятием. При разрушении определяют плотность энергии деформирования и удельную поверхность разрушения.

для образца Ы- 2

Величина удельной поверхности разрушенного материала для образцов

-10 6м3

- 1,27-1051/м,

ГПР1 -Д- 0,8

OV1

1213

0,270

4,5-1051/м,

1

0,2

и хорошо согласуется с приведенным радиусом частиц разрушенного материала. Далее по полученным значениям AI и Svi строим график зависимости энергоемкости разрушения образца от удельной поверхности разрушенного материала и определяем удельную поверхность энергию

20

ДА A2-Ai Д Sv SV2 - Sv1

„(15,8- 14,8) 106Па 3 1 Дж (4,5-1,27)- 105 - м

лЛ

м

Предлагаемый способ более точен по сравнению с прототипом, так как учитывает локализацию деформации (величину ) и смену механизма разрушения в объемном поле сжимающих напряжений, условия раз- рушения наиболее приближены к реальным. Кроме того, исключена операция по нанесению искусственной трещины в образце. Формула изоб р в тения Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород, по которому нагружают образцы горной породы до разрушения, регистрируют параметры деформирования и разрушения и по ним определяют удельную поверхностную знер

гию, отличающийся тем, что, с цельюкомпонентным сжатием, а в качестве пара- повышения точности определения, исполь-метров деформирования и разрушения опре- зуют два идентичных образца, нагружениеделя ют плотность энергии деформирования и которых осуществляют трехосным неравно-удельную поверхность разрушения.