Способ определения предела длительной прочности горных пород
Владельцы патента RU 2276344:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (RU)
Изобретение относится к испытаниям прочностных характеристик горных пород и может быть использовано для определения предела длительной прочности горных пород. Заявленный способ определения предела длительной прочности горных пород по результатам кратковременных испытаний образцов основан на соответствии уровня трещинообразования в горной породе продолжительности ультразвукового импульса. В процессе нагружения образца определяется продолжительность ультразвукового импульса. По результатам испытаний строится кривая прозвучивания, точка пересечения с осью нагружения принимается за предел длительной прочности горной породы. Увеличение нагрузки выше этой точки приведет к разрушению образца горной породы. Технический результат: повышение точности измерений. 3 ил.
Изобретение относится к горному делу, в частности к исследованиям прочностных свойств материалов и элементов конструкций, и может быть использовано для определения предела длительной прочности горных пород.
В зависимости от значения предела длительной прочности (предела долговременного сопротивления) горных пород оценивается устойчивость междукамерных и охранных целиков, продолжительность безремонтного поддержания подземных горных выработок.
Существуют способы определения предела длительной прочности горных пород путем нагружения образцов цилиндрической формы (d=36 мм, h=70 мм) на рычажных, гидравлических и пружинных прессах. Натурные испытания проводят на образцах призматической формы сечением 500×500 мм и высотой 900 мм. Нагрузка на образцы создается давильной установкой конструкции Я.А.Бича (Проскуряков Н.М., Ливенский B.C., Карташов Ю.М. Реологические свойства соляных пород. Развитие калийной промышленности. Обзорная информация. М:, НИИТЭХИМ, 1974, 48 с.; Проскуряков Н.М., Пермяков Р.С., Черников А.К., Физико-механические свойства соляных пород. Л.: Недра, 1973, с.142).
За предел длительной прочности принимается значение максимального напряжения, при котором деформационные процессы протекают без разрушения в течение интервала времени, стремящегося к бесконечности. Продолжительность испытаний образцов составляет от 50 до 1000 и более часов. В некоторых случаях она достигает 52 суток. (Авершин С.Г., Ялымов Н.Г., Степанов В.Я. Расчет целиков с учетом реологических свойств горных пород. В сб. Проблемы реологии горных пород. Киев, Наукова Думка, 1970, с.7-11).
Недостатком вышеуказанных способов является сравнительно высокая трудоемкость и продолжительность испытаний образцов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения предела длительной прочности горных пород при кратковременных испытаниях по мощности инфранизкочастотного шума электрического тока (а.с. СССР, 1408286 МКИ G 01 N 3/08, Е 21 С 39/00. Способ определения предела длительной прочности горных пород. БИ, 1988, №25). Согласно данному изобретению определяют уровень инфранизкочастотного шума тока в ненарушенных образцах, а затем в процессе нагружения. Поскольку мощность инфранизкочастотного шума тока зависит от трещиноватости образцов, то предел длительной прочности горных пород определяют по максимальной мощности инфранизкочастотного шума тока, соответствующей переходу материала образца горной породы в запредельное состояние, когда происходит увеличение трещин и разрушение образца.
К недостаткам данного способа следует отнести необходимость изучения уровня инфранизкочастотного шума в ненагруженных образцах, сравнительно невысокая точность измерений, повышенная трудоемкость и продолжительность испытаний.
В задачу настоящего изобретения входило создание способа определения предела длительной прочности горных пород, обеспечивающего минимальную трудоемкость, продолжительность и высокую точность измерений.
Поставленная задача решалась таким образом, что в способе определения предела длительной прочности горных пород, включающем возрастающее нагружение образца горной породы усилием, регистрацию уровня развития трещин и определение по нему предела длительной прочности горной породы, образец горной породы подвергают воздействию ультразвука, замеряют на каждой стадии нагружения и по каждому направлению продолжительность ультразвукового импульса, которая соответствует уровню развития трещин, строят графики прозвучивания и в точке пересечения кривых прозвучивания с осью нагружения определяют предел длительной прочности горной породы, соответствующий началу разрушения образца и увеличения его объема.
На фиг.1 представлена монтажная схема испытаний образца.
На фиг.2 изображено поперечное сечение оприборенного образца.
На фиг.3 представлена диаграмма поперечного прозвучивания образца.
Применение данного способа осуществляется следующим образом. Из массива горных пород, подлежащего исследованию, выбуривают буровой коронкой партию цилиндрических образцов, обрабатывают их торцы и боковую поверхность до блеска. Путем раздавливания образцов на прессе определяют кратковременный (мгновенный) предел прочности породы (R, мПа) на одноосное сжатие и его среднее значение принимают в качестве эталона.
Образец 1 горной породы помещают между нижней 2 и верхней 3 давильными плитами пресса. Посередине образца 1 на двух уровнях наклеивают ультразвуковые щупы зондирующие 4 и приемные 5 с пъезокристаллами из сегнетовой соли по два во взаимно перпендикулярных направлениях.
Каждый образец породы испытывают под возрастающей нагрузкой Р и одновременно фиксируют продолжительность ультразвукового импульса Δt на каждой ступени нагружения С=Р/R. По результатам испытаний строят диаграмму прозвучивания образца, которая отражает процесс уплотнения материала образца в начальной стадии, смыкания природных микротрещин и сокращения продолжительности ультразвукового импульса Δt Затем происходит процесс расширения микротрещин и увеличение продолжительности ультразвукового импульса. В месте пересечения кривой прозвучивания с вертикальной осью нагружения начинается процесс разрушения материала образца и развития макротрещин (точка Д). Величина усилия нагружения образца в точке Д принимается за предел длительной прочности испытуемой породы. При дальнейшем нагружении выше этой точки начинается необратимый процесс превращения микротрещин в макротрещины, разрушение образца и увеличение его объема. По результатам испытаний партии образцов определяют среднее значение предела длительной прочности испытуемой породы.
В случае оснащения образца индикаторами часового типа и тензодатчиками можно дополнительно определить величину предельной деформации, модуль деформации и коэффициент Пуассона.
Предлагаемый способ определения предела длительной прочности горных пород позволяет значительно снизить трудоемкость, продолжительность работ, повысить точность измерений, поскольку он учитывает высокую чувствительность скорости ультразвука к состоянию структуры материала: уровень трещиноватости соответствует длительности ультразвукового импульса.
Способ определения предела длительной прочности горных пород, включающий возрастающее нагружение образца горной породы усилием, регистрацию уровня развития трещин и определение по нему предела длительной прочности горной породы, отличающийся тем, что образец горной породы подвергают воздействию ультразвука, замеряют на каждой стадии нагружения и по каждому направлению продолжительность ультразвукового импульса, которая соответствует уровню развития трещин, строят графики прозвучивания и в точке пересечения кривых прозвучивания с осью нагружения определяют предел длительной прочности горной породы, соответствующий началу разрушения образца, и увеличения его объема.
