Способ испытания образцов горных пород

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1352056

Ai (51)4 Е 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1 ) 4070012/22-03 (22) 28.05.86 (46) 15. 11. 87. Бюл. У 42 (71) Институт горного дела АН КазССР (72) Г.Д. Лезин и А.А. Козлов (53) 620.173.2(088.8) (56) Докукин А.В. и др. Моделирование предельно-напряженного состояния угольных пластов. N.: Наука, 1981, с.87. (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ

ПОРОД (57) 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 Х и У образца нагружение по оси Z до достижения напряжения по оси Х заданной величины. Поддерживают напряжение по оси Х постоянным. Напряжение по оси Z.ïîñòåïåííî увеличивают до запредельной области деформнрования. В качестве антифрикционного покрытия образца используют битум. Зазоры между гранями образца и контактными поверхностями плит заполняют твердеющим составом, близким по прочности к испйтуемому образцу.

Изобретение относится к горному делу, в частности к методам определения физико-механических свойств образцов горных пород.

5 Цель изобретения -- повышение точности и достоверности за счет приближения условий испытания к натурным и расширение функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования, обеспечение испытания образцов, выбранных из массива около протяженной горизонтальной выработки посредством вертикальной скважины. 15

На фиг.1 показан режим нагружения (зависимость напряжения ф от времени ) образца, выбранного из бокового обнажения массива (1-3г, 2- 1 „

6„); на фиг.2 — деформации f образца 20 во времени t 1 - 2 — 1х на фиг.3зависимость напряжений 6 от деформаций ((1 Ьг =f )-), 2 -h„=f »), на фиг.4 — зависимость коэффициента

Пуассона от деформаций (1- p =f 25 ((), 2 — p (f„); на фиг.5 — зависимость секущих модулей Е от деформаций (1-Е =f(() 2 — Е„= f () Д); на фиг.б — режим нагружения (зависимость напряжения б от времени t) образца,, Зо выбранного из массива посредством .вертикальной скважины (1-, 2 -6, х) .

Осуществление способа испытания образцов горной породы иллюстрируется следующим примером.

Образец угля выбирают из бокового обнажения протяженной горизонтальной выработки на глубине 360 м. Образцу придают кубическую форму (50х50х 40 х50 мм), так, что его грани совпада. ют, соответственно, с направлениями вдоль выработки (ось У образца), поперек выработки (ось Х образца) и вдоль вертикали (ось Z образца).

Отделение куска угля от стенки выработки производят в два этапа. Сначала намеченный объем угля подрубают сверху и снизу, чтобы произошло окончательное освобождение угля от вер- О тикальной нагрузки, затем производят-подработку по бокам, а также отделение куска от массива. .Образец кубической формы размещают между плитами нагружающего устройства, покрытыми тонким споем битума, снижающего трение образца о плиты.

Зазоры (около 1 мм) между контактными поверхностями плит и гранями об56 2 разца заполняют цементно-песчаным раствором, прочность которого через

24 ч достигает величины 15 МПа, что соответствует прочности образца угля при одноосном сжатии. Перед началом нагружения обеспечивают (путем фикса. ции соответствующих плит) на время всего испытания отсутствие деформаций по оси У образца. Затем проводят предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива. Для этого в соответствии с указанной выборкой образца из бокового обнажения массива вначале нагружают образец по оси Х до величины 0,2-0,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца. Образец нагружают до величины 2,7 NIIa что составляет 0,25 Н, при Н = 360 м и = 1,42 г/см (объемная масса угля). При этом деформация по оси Х составляет Г = О 003. После этого

rx (в момент времени t„, фиг.1) напряжение по оси Х образца поддерживают постоянным и одновременно начинают нагружение по оси Z образца до величины, при которой достигается равенство напряжений по осям Х и У образца. При 6»= 4 = 2,7 MIIa (время г)

b достигает значения 17,0 МПа, деформация (= 0,0058. При достижении равенства йапряжений по осям Х и У обеспечивают (путем фиксации плит) отсутствие деформаций по оси Х образ ца и снимают полностью нагрузку по оси Z (время tz). Остаточные деформации при этом составляют ) =0 0015 и =0,002 мм. На этом заканчивают предварительное нагружение.

После этого измерители деформаций по двум осям Х и 2, устанавливают в нулевые положения и начинают новый этап нагружения по оси образца до достижения горизонтальными напряжениями » и 4 заданной в данном опыте величины. В данном случае планируют провести опыт при 6„= const=

= 2,7 МПа. В момент времени t<, когда горизонтальные напряжения достигают этой величины, запрет деформаций по оси

Х снимают, а величину напряжения Ь» поддерживают далее постоянной. После этого процесс испытания образца происходил при следующих динамических и кинематических условиях: активное нагружение по оси Z пассивные напряжения по осям X и У, при этом 6»=

2056 р= 0,16 + 8,25 „; р= 0,75 + 10,05 ( (4) (5) з 135

= const, à f = О. Такие условия испытания 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 6„ остаются постоянными, если нагружение по оси Е производят достаточно медленно, а напряжения 4> по оси У возрастают как функции 4 и 6 . Начиная с момента t измеряют деформации, а с t и деформации

1. До момента t в образце происхох дят нелинейные упругие и упруго-пластические деформации. 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

q, = — Е -й(4 @.)3 (1) („= — Pp (b, 6„) - х1 (2) (3) По. уравнению (3) определяют значения коэффициента Пуассона и строят в зависимости его от деформаций и „ (фиг.4), которые в первом приблйжений .можно выразить как

Используя полученные из уравнения (3) значения р, а также зафиксированные значения и E, по уравне-. ниям (1) и (2) находят обычные модули упругости поперек Е„.и вдоль Ей напластований, а также секущие модули

Е2и Ек °

Eð= 1,85 ° 10 — 28,75.10 ; (6)

E 0,7 104 — 7,5 ° 104. (7) 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. на всех тех стадиях, для которых закономерности

gp (4)-(7) являются действительными.

Используя известные в теориях упругости и пластичности зависимости, по полученным 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

2р также параметр вязкости — коэффициент поперечной деформаций и параметр

1 пластичности С

Имея данные испытаний образцов при различных значениях „, можно

25 построить огибающую предельных кругов

Мора. Такой паспорт прочности с боль-, шой достоверностью и точностью отражает прочность массива вследствие близости условий испытаний к натур30

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 восстанав40 ливаясь в этом направлении, а по горизонтальным осям не расширяется) путем обеспечения отсутствия деформаций по оси Х и затем нагружают образец по оси Z до величины, при кото. 45 рой напряжения по осям Х и У достигают величины (0,2-0 25)- Н 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 предваритель-! ном и основном нагружениях образца; расширить функциональные возможности

5 13520 способа, распространив его на пластические и запредельные стадии деформации за счет принятой схемы испытания когда Р = 0 благодаря чему воэЭ уу 9 5 никает возможность более длительное время исключить выдавливание испытываемой породы за пределы объема, образуемого плитами нагружающего устройства. 10

Формула из обретения

56

6 оси Х образца и поддерживают напряжение по этой оси постоянным., а напряжение по оси Z образца постепенно увеличивают до запредельной области деформированин, 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 образцу .

1. Способ испытания образцов гор-. ных пород, включающий размещение образца кубической формы между имеющими антифрикционное покрытие плитами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, создание за- . данного напряженного состояния, изме- о . рение напряжений и деформаций образца и оценку прочности на основании измеренных величин, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и достоверности за счет прибли- 25 жения условий испытания к натурным и расширения функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования, образец горной породы вырезают иэ масси-; g0 ва так, что его грани совпадают соответственно с направлениями вдоль протяженной горизонтальной выработки (ось У образца), поперек выработки (ось Х образца) и вдоль вертикали (ось Z образца), затем обеспечивают

35 на все время испытания отсутствие деформаций по оси У образца и проводят предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоя- 40 нию нетронутого массива, после чего осуществляют, при отсутствии деформаций по осям Х и У образца, нагружение по оси Z до достижения напряжения по оси Х заданной величины, сни- 4

45 мают ограничение с деформаций по

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения испытания образцов, выбранных из бокового обнажения массива в горизонтальной горной выработке, предварительное нагружение проводят по оси Х 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 Х и У образца, после чего обеспечивают отсутствие деформаций по оси Х образца и полностью снимают нагрузку по оси Z образца.

3. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся 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 Х образца, затем осуществляют постепенно увеличивающееся нагружение.по оси

Z образца до достижения напряжениями по осям Х и У образца величины 0,20,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца и полностью снимают нагрузку по оси Z образца.

1352056

1352056

c! oi nuz ал аж

Фиг 4

Редактор Т. Парфенова

Заказ 5546/27 Тираж 453

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подпис ное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 к 1д-2

Af/70

Фк лжи

a z-а.м) ум

Составитель В. Тальвойш

Техред ц.уоданич Корректор С.Шекмар