Устройство для определения коэффициентов пуассона и поперечных деформаций фрагментов массива раздробленных скальных пород и оценки их сжимаемости в массиве
Владельцы патента RU 2634312:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") (RU)
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза устойчивости и деформируемости массивов раздробленных скальных пород. Технический результат заключается в повышении эффективности и достоверности определения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива раздробленных скальных пород, а также сжимаемости пород в массиве. Устройство содержит каркас из боковых стенок, балок и стоек, соединенных в замкнутый контур, балку, установленную в центре каркаса, и нагрузочные механизмы. При этом нагрузочные механизмы выполнены в виде вертикальных и горизонтальных гидродомкратов с динамометрами, установленных с упором в балку, установленную в центре каркаса и стойку каркаса, соответственно, также оно снабжено пластиной, устанавливаемой горизонтально на поверхность массива раздробленных скальных пород и соединенной струнами с приборами регистрации вертикальных деформаций массива, тележкой, устанавливаемой на пластине с возможностью ее горизонтального перемещения, внутри которой закреплено компрессионное кольцо, со штампом. На штамп компрессионного кольца последовательно устанавливаются вторая горизонтальная пластина, вторая тележка на шарикоподшипниках, гидродомкрат и динамометр, соединенные с центральной балкой каркаса, при этом штамп соединен с приборами для регистрации его перемещений. 2 ил.
Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для прогноза устойчивости и деформируемости массивов раздробленных скальных пород.
Известно устройство для определения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации твердых горных пород при одноосном сжатии образцов (ГОСТ - 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии - М.: Издательство стандартов, 1991).
Недостатки известного устройства:
- испытания проводятся на отдельных цилиндрических или призматических образцах строго определенных размеров, что не может характеризовать массив раздробленных скальных пород или его фрагментов;
- испытания образцов горных пород выполняются в условиях их свободного бокового расширения, что не соответствует поведению горной породы под нагрузкой внутри массива.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для определения характеристик пород, содержащее компрессионное кольцо с породой, при этом компрессионное кольцо выполнено с вертикальными и горизонтальными прорезями, штамп, установленный на компрессионном кольце с возможностью передачи вертикальной нагрузки на породу внутри кольца, стальную ленту, выполненную с возможностью расположения вертикально и горизонтально внутри кольца и в прорезях (Абуханов А.З. Механики грунтов: Учебное пособие / А.З. Абуханов. - Ростов Н/Д: Феникс. 2006. - 352 с. С.158-159).
Работа устройства заключается в следующем: при выдергивании последовательно стальной ленты из горизонтальной и вертикальной прорезей в стенке компрессионного кольца, заполненного грунтом и находящегося под вертикальной нагрузкой, проводят замер усилий Тгор. и Твертик. Зная усилия, можно определить коэффициент бокового давления:
где 
- коэффициент трения ленты (сталь) по грунту;
A - площадь ленты.
В условиях компрессионных испытаний, используя значения коэффициента бокового давления, можно получить значения коэффициента Пуассона (поперечной деформации):
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность увеличения диаметра и высоты компрессионного кольца до размеров, приемлемых для размещения в нем кусков раздробленных скальных пород значительных размеров, ввиду конструктивных особенностей устройства, не позволяющих воспринимать многотонные усилия от нагрузочных механизмов, соответствующие тем, что действуют на породы в подземных выработках;
- отсутствие возможности передачи на раздробленную скальную породу многотонных усилий вызывает неопределенность в разграничении областей определения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации в связи с отсутствием сведений о деформациях грунта в компрессионном кольце в цикле нагрузка-разгрузка (диаграмма деформирования), что не позволяет четко установить области упругих и неупругих деформаций и получить, соответственно, достоверные значения коэффициента Пуассона, характеризующие упругую стадию работы породы и коэффициент поперечной деформации, характерный для ее неупругих деформаций;
- недостаточные функциональные возможности устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и достоверности определения значений коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива раздробленных скальных пород и расширение функциональных возможностей устройства за счет оценки сжимаемости массива пород.
Результат достигается тем, что устройство для определения коэффициентов Пуассона и поперечных деформаций фрагментов массива раздробленных скальных пород и оценки их сжимаемости в массиве, содержащее компрессионное кольцо с породой, при этом компрессионное кольцо выполнено с вертикальными и горизонтальными прорезями, штампом, установленном на компрессионном кольце с возможностью передачи вертикальной нагрузки на породу внутри кольца, стальную ленту, выполненную с возможностью расположения вертикально и горизонтально внутри и в прорезях кольца, отличается тем, что оно снабжено каркасом из боковых стенок, балок и стоек, соединенных в замкнутый контур, балкой, установленной в центре каркаса, пластиной, расположенной между балками и стойками каркаса с возможностью установки на исследуемые породы и соединенной при помощи проволочных струн с приборами для регистрации вертикальных деформаций исследуемых пород, тележкой, установленной на пластине с возможностью горизонтального перемещения, при этом компрессионное кольцо с породой закреплено на тележке, устройство также снабжено горизонтальным гидродомкратом, установленным между стойкой каркаса и тележкой и снабженным динамометром, и последовательно установленными на штампе второй пластиной и второй тележкой, установленной на пластине с возможностью горизонтального перемещения, и вертикальным гидродомкратом с динамометром, соединенными с центральной балкой каркаса, а штамп соединен с прибором для регистрации его перемещений.
Заявленное устройство отличается от прототипа тем, что позволяет:
- определить значения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива раздробленных скальных пород на всем диапазоне вертикальных нагрузок, соответствующих тем, что действуют на породу в подземных выработках;
- оценить сжимаемость массива раздробленной скальной породы, находящейся ниже компрессионного кольца;
- повысить эффективность и достоверность определения деформационных свойств раздробленных скальных пород.
Для этого используют:
- каркас из боковых стенок, балок и стоек, соединенных в замкнутый контур и балку, установленную в центре каркаса с размерами, позволяющими одновременно создавать фрагменты массива раздробленных скальных пород и сам массив, с возможностью передачи на него вертикальных нагрузок, соответствующих тем, что действуют на породу в подземных выработках;
- пластину прямоугольной или круглой формы, расположенную между балками и стойками каркаса и укладываемую горизонтально на поверхность массива раздробленных скальных пород;
- тележку, установленную на пластине с возможностью горизонтального перемещения, внутри которой закреплено компрессионное кольцо с дном с размерами, достаточными для размещения в нем крупных кусков раздробленной породы;
- установленную на штампе вторую пластину со второй тележкой, установленной на пластине с возможностью горизонтального перемещения, вертикальный гидродомкрат и динамометр, соединенные с центральной балкой каркаса;
- прибор для регистрации перемещений штампа внутри компрессионного кольца.
В предлагаемом устройстве применение вышеупомянутых элементов устройства позволяет:
- одновременно создавать как фрагменты массива раздробленных скальных пород, так и сам массив;
- передавать на раздробленную скальную породу многотонные нагрузки, соответствующие тем, что действуют на породу в подземных выработках;
- разграничить области определения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации на основе получаемых сведений об упругих и неупругих деформациях породы в компрессионном кольце в цикле нагрузка-разгрузка;
- повысить достоверность определения параметров для расчета коэффициентов Пуассона и поперечной деформации.
Применение пластин круглой или прямоугольной формы, укладываемых горизонтально на поверхность массива раздробленных скальных пород и соединенных струнами с приборами регистрации вертикальных его деформаций, позволяет проводить одновременно с опытами по определению коэффициента Пуассона, достоверные опыты по оценке сжимаемости упомянутого массива с вычислением соответствующих характеристик.
На фиг. 1 показан общий вид устройства, на фиг. 2 вид сверху на фиг. 1.
На фиг. 1 и 2 изображены; пластины 1, массив раздробленных скальных пород 2, тележка 3, шарикоподшипники 4, компрессионное кольцо 5, дно кольца 6, стальная лента 7, упорная пластина 8 на боковой стенке 9 каркаса, упорная вертикальная пластина 10 на тележке, горизонтальный гидродомкрат 11, динамометр 12, штамп 13, вторая пластина 14, вторая тележка 15, регулировочные пластины 16, вертикальный гидродомкрат 17, динамометр 18, центральная балка 19 каркаса, приборы для регистрации вертикальных деформаций исследуемых пород 20, приборы 21 для регистрации перемещений штампа, съемная горизонтальная упорная пластина 22, закрепленная с боковыми стенками 9 каркаса, балки каркаса 23, стойки каркаса 24.
Работу устройства по определению коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива раздробленных скальных пород и оценки их сжимаемости в массиве можно объяснить следующим образом. Известно, что характеристики деформационных свойств любой среды, в т.ч. и горных пород - коэффициента Пуассона и поперечной деформации, соответствуют вполне определенным интервалам нагрузок, передаваемых на среду, т.е. таким интервалам, где проявляются, соответственно, упругие и неупругие ее деформации. В связи с этим первоочередной задачей по определению коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива раздробленных скальных пород является выявление упомянутых интервалов. С этой целью на раздробленную скальную породу, находящуюся в компрессионном кольце, которое установлено на съемную горизонтальную упорную пластину, закрепленную с боковыми стенками каркаса, с помощью штампа и гидродомкрата передается ступенями вертикальное давление с регистрацией вертикальных перемещений штампа. Затем производится ступенчатая разгрузка породы в кольце путем уменьшения давления на породу, с одновременной регистрацией перемещений штампа. Таким образом, получают диаграмму цикла «нагрузка-разгрузка», по которой можно установить интервалы давлений и деформаций породы, при которых реализуются упругие и неупругие свойства фрагмента массива раздробленной скальной породы. Применение съемной горизонтальной пластины обусловлено необходимостью исключения передачи вертикального давления на этапе цикла «нагрузка-разгрузка» фрагмента массива раздробленных скальных пород на массив аналогичных пород, находящихся ниже дна компрессионного кольца, с целью исключения их деформаций при первичном нагружении.
Далее производится демонтаж съемной горизонтальной пластины, разгрузка компрессионного кольца от породы и его снятие; на поверхность массива раздробленных скальных пород, находящихся между боковыми стенками каркаса, устанавливается горизонтально пластина, соединенная струнами с приборами для регистрации деформаций пород, тележка с закрепленным внутри кольцом с дном. Кольцо с расположенной в ней лентой, заполняется раздробленной скальной породой, сверху устанавливается штамп с возможностью его перемещения внутри кольца, вторая пластина со второй тележкой, регулировочные пластины с гидродомкратом и динамометром. При этом упор гидродомкрата с динамометром осуществляется в центральную балку каркаса, являющуюся конструктивным элементом силовых рам каркаса, а конец ленты, горизонтальный гидродомкрат и динамометр закреплены со стойкой каркаса. Далее производят передачу нагрузки с помощью гидродомкрата и штампа на породу в кольце и, следовательно, на вертикально расположенную в нем ленту с регистрацией деформаций породы, в пределах ранее установленного диапазона давлений, характерного для реализации упругой работы породы. При этом регистрация вертикальных деформаций массива раздробленных скальных пород, находящегося между боковыми стенками каркаса, вызываемых усилиями от вертикального гидродомкрата и переданными тележкой через пластину на массив, позволяет оценить его сжимаемость путем построения графиков зависимости «нагрузка-осадка пластины», с последующим вычислением модуля деформации массива раздробленных скальных пород. Осуществив передачу на штамп кольца и, соответственно, через породу на вертикально расположенную в кольце ленту, усилие в пределах установленного диапазона, характерного для реализации упругих деформаций породы, производят передачу горизонтального усилия с помощью гидродомкрата на тележку, инициируя тем самым ее горизонтальное перемещение вместе с кольцом, с целью извлечения ленты из кольца с регистрацией этого усилия динамометром. Далее осуществляется извлечение породы из кольца, установка ленты в горизонтальное положение, загрузка породы в кольцо с повторением процедур, характерных для опыта с вертикально расположенной лентой. Получая значения усилий, необходимых для извлечения горизонтально и вертикально расположенной ленты, в пределах диапазона давлений, характерных для упругих деформаций породы, получают значения коэффициентов бокового давления и, соответственно, Пуассона.
Повторяя процедуры с нагружением вертикально и горизонтально расположенной внутри компрессионного кольца с породой лентой в диапазоне давлений, характерных для нелинейных (неупругих) деформаций, получают значение коэффициентов бокового давления и, соответственно, коэффициента поперечной деформации. При этом производится регистрация деформации и оценка сжимаемости массива раздробленных скальных пород и вычисление их модуля деформаций.
Работа устройства осуществляется в следующей последовательности:
- на раздробленную скальную породу, находящуюся в компрессионном кольце 5, установленном на съемной горизонтальной упорной пластине 22, закрепленной с боковыми стенками 9 каркаса, с помощью штампа 13 и гидродомкрата 17 ступенями передается вертикальное давление с регистрацией вертикальных перемещений штампа 13 с помощью приборов 21;
- производят ступенчатую разгрузку породы в кольце путем уменьшения давления на нее с одновременной регистрацией перемещений штампа 13 с помощью приборов 21;
- получают диаграмму цикла «нагрузка-разгрузка», по которой устанавливают диапазон давлений, при котором реализуются упругие свойства породы;
- производят повторное загружение породы в кольцо 5, установленное на съемной горизонтальной пластине 22, закрепленной с боковыми стенками 9 каркаса, с помощью штампа 13 и гидродомкрата 17 и устанавливают диапазон давлений, где реализуются неупругие деформации породы;
- производят демонтаж съемной горизонтальной пластины 22, разгрузка кольца 5 от породы и его снятие;
- на поверхность массива раздробленных скальных пород 2 устанавливают горизонтально пластины 1, соединенные струнами с приборами регистрации вертикальных деформаций исследуемых пород 20, тележку 3 с закрепленным внутри компрессионным кольцом 5 с дном и расположенной вертикально в нем стальной лентой 7 и заполненным породой. На породу в кольце устанавливают штамп 13, с возможностью его вертикального перемещения в кольце, вторую пластину 14 с тележкой (второй) на шарикоподшипниках 15, регулировочные пластины 16 и гидродомкрат 17 с динамометром 18. Упор гидродомкрата с динамометром осуществляется в центральную балку 19 каркаса;
- свободный конец ленты 7 соединяют с боковой стенкой 9 каркаса;
- горизонтальный гидродомкрат 11 с динамометром 12 устанавливают между стойкой каркаса 24 и тележкой 3;
- на штамп 13 и, следовательно, на породу в кольце с помощью гидродомкрата 17 передается нагрузка в пределах ранее установленного диапазона давлений, где реализуются упругие свойства породы. При этом производят с помощью приборов 20 регистрацию перемещений пластин 1, а следовательно, и деформации массива раздробленных скальных пород, вызванных нагрузкой от гидродомкрата 17 и переданной шарикоподшипниками 4 тележки 3 на пластину 1;
- с помощью горизонтального гидродомкрата 11 на тележку 3 передают усилие, инициирующее ее перемещение с компрессионным кольцом 5 по пластинам 1. При этом производят замер этого усилия, способствующего выдергиванию ленты 7 из кольца 5, с помощью динамометра 12 и осуществляют контроль положения стальной ленты в прорезях кольца 5 и упорной вертикальной пластины 10;
- производят аналогичные процедуры с породой в кольце, т.е. ее нагружение в переделах диапазона давлений, где реализуются неупругие деформации породы, с замером деформаций массива раздробленных скальных пород 2, и горизонтального усилия, способствующего выдергиванию ленты 7 из компрессионного кольца 5;
- производят вычисление коэффициента бокового давления путем определения соотношения горизонтального и вертикального усилий выдергивания ленты;
- производят разгрузку породы в кольце 5, устанавливают в нем горизонтальную ленту 7, загружают его породой и производят все процедуры с нагружением породы в кольце в пределах упругих и неупругих деформаций и замерах деформаций массива скальных пород 2 и усилий, способствующих выдергиванию горизонтальной ленты 7 из кольца 5, по аналогии с опытами с вертикально расположенной лентой 7 в кольце 5;
- производят вычисление коэффициентов Пуассона и поперечной деформации фрагментов массива пород в пределах, соответственно, диапазонов давлений, способствующих реализации упругих и неупругих деформаций. С этой целью количественно определяют соотношения горизонтальных и вертикальных усилий, способствующих выдергиванию ленты, горизонтально и вертикально расположенной в кольце в пределах, соответственно, диапазонов вертикальных давлений на породу, способствующих проявлению ее упругих и неупругих деформаций. Получив, таким образом, значения коэффициентов бокового давления ξ, соответствующие упругой и неупругой стадии деформации породы, по известной формуле 
получают значения коэффициентов Пуассона и поперечной деформации;
- получив в результате проведенных опытов количественные данные о деформациях массива раздробленных скальных пород 2, в пределах диапазонов давлений, соответствующих упругим и неупругим деформациям, производят построение графиков зависимости «осадка пластин - нагрузка» и по известным формулам, например Шлейхера или ГОСТ 20276-2012, определяют характеристики деформируемости массива раздробленных скальных пород.
Устройство для определения коэффициентов Пуассона и поперечных деформаций фрагментов массива раздробленных скальных пород и оценки их сжимаемости в массиве, содержащее компрессионное кольцо с породой, при этом компрессионное кольцо выполнено с вертикальными и горизонтальными прорезями, штампом, установленным на компрессионном кольце с возможностью передачи вертикальной нагрузки на породу внутри кольца, стальную ленту, выполненную с возможностью расположения вертикально и горизонтально внутри и в прорезях кольца, отличающееся тем, что оно снабжено каркасом из боковых стенок, балок и стоек, соединенных в замкнутый контур, балкой, установленной в центре каркаса, пластиной, расположенной между балками и стойками каркаса с возможностью установки на исследуемые породы и соединенной при помощи проволочных струн с приборами регистрации вертикальных деформаций исследуемых пород, тележкой, установленной на пластине с возможностью горизонтального перемещения, при этом компрессионное кольцо с породой закреплено на тележке, устройство также снабжено горизонтальным гидродомкратом, установленным между стойкой каркаса и тележкой и снабженным динамометром, и последовательно установленными на штампе второй пластиной и второй тележкой, установленной на пластине с возможностью горизонтального перемещения, и вертикальным гидродомкратом с динамометром, соединенными с центральной балкой каркаса, а штамп соединен с прибором для регистрации его перемещений.
