Способ определения длительной прочности горных пород

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения предела длительной прочности горных пород на образцах. Способ определения длительной прочности горных пород основан на закономерности изменения времени затухания Δt_i акустической эмиссии при ступенчатом возрастающем нагружении образца. Образец горной породы подвергают ступенчатому осевому нагружению σ(t) в камере всестороннего сжатия при постоянном боковом напряжении. На каждой ступени нагружения образец выдерживают при фиксированном известном значении осевого напряжения до момента стабилизации параметров потока импульсов акустической эмиссии. На каждой ступени нагружения образца определяют временной интервал затухания Δt_i активности , акустической эмиссии в нем. Определяют разницу длительностей Δt_i-Δt_i-1 временных интервалов затухания акустической эмиссии каждой последующей и предшествующей ей ступени нагружения. При положительном значении указанной разницы фиксируют величину осевого напряжения предшествующей ступени, которую принимают за предел длительной прочности горных пород. Технический результат: повышение точности определения предела длительной прочности горных пород. 2 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения длительной прочности горных пород на образцах.

Известен способ определения длительной прочности горных пород, заключающийся в том, что образец горной породы нагружают осевым и постоянным боковым давлением до момента начала развития деформации ползучести, ступенчато увеличивают боковое давление на образец до определенной величины и поддерживают его постоянным, увеличивают при этом осевое давление до следующего момента начала развития деформации ползучести, соответствующие этому моменту предельные значения главных напряжений принимают равными осевому и боковому давлениям, измеряют в процессе нагружения эти давления и соответствующие им деформации, по которым судят о длительной прочности горной породы [1].

Недостатком данного способа является низкая точность определения длительной прочности. Это связано с тем, что момент начала развития деформаций ползучести определяется по максимальной объемной деформации уплотнения, определяемой по соответствующим формулам через измеряемые продольную и поперечную деформации образца. В свою очередь структурная неоднородность горной породы приводит к тому, что продольная и поперечная деформации, оцениваемые в локальных участках образца, объективно не отражают его объемной деформации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения длительной прочности горных пород, заключающийся в ступенчатом увеличении осевого напряжения образца горных пород, измерении параметров потока импульсов акустической эмиссии, выдержке образца при фиксированном известном значении осевого напряжения на каждой ступени до момента стабилизации параметров потока импульсов акустической эмиссии [2].

В указанном способе-прототипе выявляют первый локальный максимум активности акустической эмиссии, по которому определяют предел длительной прочности горных пород.

Недостатком указанного способа является низкая точность определения предела длительной прочности горных пород. Это связано с тем, что величина максимумов активности акустической эмиссии в значительной степени подвержена влиянию случайных факторов, например, таких, как структурная неоднородность и дефектность горных пород. В результате первый локальный максимум может иметь место при напряжении, не соответствующем искомому пределу длительной прочности, то есть последний будет определен с ошибкой.

В данной заявке решается задача повышения точности определения предела длительной прочности горных пород.

Для решения поставленной задачи в способе определения длительной прочности горных пород, заключающемся в ступенчатом увеличении осевого напряжения образца горных пород, измерении параметров потока импульсов акустической эмиссии, выдержке образца при фиксированном известном значении осевого напряжения на каждой ступени до момента стабилизации параметров потока импульсов акустической эмиссии, нагружение образца осуществляют в условиях постоянного бокового обжатия, на каждой ступени нагружения образца определяют временной интервал затухания активности акустической эмиссии в нем, затем определяют разницу длительностей временных интервалов затухания акустической эмиссии каждой последующей и предшествующей ступеней нагружения образца и при положительном значении этой разницы фиксируют величину осевого напряжения предшествующей ступени, которую принимают за предел длительной прочности горных пород.

Предлагаемый способ базируется на том факте, что напряжение предела длительной прочности соответствует состоянию максимального уплотнения горной породы. В процессе ступенчатого увеличения осевого напряжения в образце при приближении к величине напряжения предела длительной прочности уменьшается количество возникающих и увеличивающих свои размеры дефектов. Поскольку эти дефекты являются источниками акустической эмиссии, то последняя также уменьшается. В условиях всестороннего сжатия уменьшается также и временной интервал затухания акустической эмиссии до установившегося значения. Когда напряжения превысят предел длительной прочности, происходит увеличение объема образца, его разуплотнение за счет роста дефектности, приводящей к возрастанию акустической эмиссии, и, как установлено экспериментально, увеличению временного интервала затухания акустической эмиссии. Для устранения влияния на результаты измерений трещин, разбивающих образец на блоки и образующихся от действия внутренних напряжений при извлечении образца горных пород с больших глубин, испытания проводят при боковом обжатии образца. Это позволяет проявиться изменению временного интервала затухания акустической эмиссии наиболее отчетливо.

Способ определения длительной прочности горных пород иллюстрируется фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена одна из возможных схем устройства для реализации способа, а на фиг.2 - графики изменения ступенчато увеличивающегося осевого напряжения образца горных пород σ(t) и активности акустической эмиссии во времени, а также график изменения во времени разницы Δt_i-Δt_i-1 длительностей временных интервалов затухания акустической эмиссии каждой последующей ступени нагружения образца и предшествующей ей ступени нагружения образца.

Схема реализации способа представлена на фиг.1. Она содержит образец 1, размещенный в заполненной жидкостью внутренней полости 2 камеры всестороннего сжатия 3. Образец 1 своим верхним торцом контактирует с поршнем 4 источника 5 управляемого осевого давления, который подключен к измерителю осевого давления 6. Внутренняя полость 2 гидравлически связана с источником 7 постоянного бокового давления. На поршне 4 закреплен приемный преобразователь 8 акустической эмиссии, подключенный к измерителю 9 активности акустической эмиссии. Для предотвращения попадания жидкости в поры и трещины образца 1 на его поверхности размещают тонкую изолирующую оболочку 10, выполненную, например, из резины.

Способ определения длительной прочности горных пород осуществляют следующим образом.

Образец горной породы 1 устанавливают в камеру 2 (см. фиг.1) и нагружают ступенчато увеличивающимся осевым напряжением σ_o (t) (см. фиг.2) при постоянном боковом давлении σ_б. Величину приращения напряжения одной ступени выбирают в пределах от 2 до 10% от разрушающей нагрузки, определяемой из предварительных измерений.

Активность акустической эмиссии при скачкообразном увеличении осевых напряжений σ_о (t) на каждой ступени во времени увеличивается, а на участке заданной нагрузки уменьшается до установившегося значения. При возрастании осевых напряжений в образце от первой ступени к ступени, на которой достигается состояние максимального уплотнения горной породы в образце, соответствующие промежутки времени затухания активности акустической эмиссии Δt₁, Δt₂, Δt₃ и т.д. будут уменьшаться до величины Δt_i (фиг.2), после чего из-за начавшегося разуплотнения горной породы будет происходить его увеличение. При этом разницы Δt_i-Δt_i-1 между временным промежутком каждой последующей ступени Δt_i и временным промежутком Δt_i-1 предшествующей ей ступени будут отрицательными. Появление положительного знака разницы Δt_i+1-Δt_i будет свидетельствовать о переходе горной породы из состояния максимального уплотнения к состоянию разуплотнения, для которого в силу меньшего сжатия горной породы характерно более длительное затухание процесса образования новых, прорастания существующих трещин и, соответственно, больший временной интервал затухания активности акустической эмиссии. После появления положительного знака упомянутой разницы фиксируют величину осевого напряжения предшествующей ступени, по которой определяют напряжение предела длительной прочности горных пород .

Таким образом, предложенный способ позволяет решить задачу более точного определения длительной прочности горных пород по сравнению со способом-прототипом.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1479846, кл. Е21С 39/00, опубл. 15.05.89, бюл. №18.

2. Авторское свидетельство СССР №1809053, МКИ Е21С 39/00, опубл. 15.04.93, бюл. №14.

Способ определения длительной прочности горных пород, заключающийся в ступенчатом увеличении осевого напряжения образца горных пород, измерении параметров потока импульсов акустической эмиссии, выдержке образца при фиксированном известном значении осевого напряжения на каждой ступени до момента стабилизации параметров потока импульсов акустической эмиссии, отличающийся тем, что нагружение образца осуществляют в условиях постоянного бокового обжатия, на каждой ступени нагружения образца определяют временной интервал затухания активности акустической эмиссии в нем, затем определяют разницу длительностей временных интервалов затухания акустической эмиссии каждой последующей и предшествующей ступеней нагружения образца и при положительном значении этой разницы фиксируют величину осевого напряжения предшествующей ступени, которую принимают за предел длительной прочности горных пород.