Стенд для исследования энергообмена в массиве горных пород
TEST BENCH FOR ENERGY EXCHANGE IN ROCK MASS

Техническое решение относится к испытательной технике - к устройствам для испытания материалов, в частности, горных пород, при исследовании энергообмена в массиве горных пород для установления возможных причин его опасных динамических проявлений.
Известен стенд для исследования энергообмена в массиве горных пород по патенту РФ №2364853, кл. G01N 3/10, опубл. 20.08.2009 г. Бюл. №23. Он содержит опорную раму, размещенные в ней захват для образца и захват для контробразца, гидравлический механизм взаимного поджатая образцов, связанный с захватом для образца, гидравлический механизм взаимного перемещения образцов, связанный с захватом для контробразца, и источник давления, связанный с механизмами поджатая и сдвига. Стенд снабжен гидравлическими аккумуляторами энергии, выполненными в виде сосудов высокого давления и гидравлически связанными с механизмами поджатая и/или перемещения.
Общими признаками аналога с предлагаемым решением являются: опорная рама; размещенный в ней захват для образца; гидравлический механизм поджатая образца, связанный с захватом для образца, аккумулятор энергии, выполненный в виде сосуда высокого давления.
В этом стенде не предусмотрена возможность формирования сплошных трещин и создания условий для их взаимодействия с флюидом под давлением. Это ограничивает возможности стенда для исследования энергообмена между областью скопления флюидов под давлением и местом развития трещин, что снижает эффективность его использования.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является стенд для исследования энергообмена в массиве горных пород по патенту РФ №2510002, кл. G01N 3/10, опубл. 20.03.2014 г., Бюл. №8. Он содержит опорную раму, размещенные в ней захват для образца и захват для контробразца, гидравлический механизм взаимного поджатия образцов, связанный с захватом для образца, гидравлический механизм взаимного смещения образцов, связанный с захватом для контробразца, аккумулятор энергии, связанный с гидравлическими механизмами и выполненный в виде гидроцилиндра, поршня, размещенного в гидроцилиндре, фиксатора положения поршня в гидроцилиндре, и гидравлический источник давления рабочей среды, соединенный с подпоршневой полостью аккумулятора. Стенд снабжен двумя пневматическими источниками давления рабочей среды, дополнительным аккумулятором энергии, выполненным в виде гидроцилиндра, поршня, размещенного в гидроцилиндре, и фиксатора положения поршня в гидроцилиндре, и дополнительным гидравлическим источником давления рабочей среды. Гидравлические источники давления рабочей среды соединены с подпоршневыми полостями соответствующих аккумуляторов, пневматические источники давления рабочей среды соединены с надпоршневыми полостями соответствующих аккумуляторов и каждый аккумулятор соединен с соответствующим гидравлическим механизмом.
Общими признаками прототипа с предлагаемым решением являются: опорная рама; размещенный в ней захват для образца; гидравлический механизм поджатия образца, связанный с захватом для образца; аккумулятор энергии; пневматический источник давления, соединенный с полостью аккумулятора энергии.
Этот стенд не снабжен средствами формирования в образце одиночной сплошной трещины с возможностью ее выхода в полость аккумулятора энергии. Поэтому изучение динамического роста трещины за счет возникновения в ее полости гидравлического удара, из-за разгона проникающей в нее жидкости энергией, накопленной аккумулятором, не представляется возможным. Все это ограничивает возможности стенда на исследование энергообмена в массиве горных пород при их хрупком разрушении, что обуславливает его относительно низкую эффективность.
Решаемая проблема заключается в повышении эффективности работы стенда за счет моделирования процессов до и после выхода на поверхность флюида, находящегося под высоким давлением, трещины, формируемой в хрупкой среде.
Проблема решается тем, что в стенде для исследования энергообмена в массиве горных пород, содержащем опорную раму, размещенные в ней захват для образца, гидравлический механизм поджатия образца, связанный с захватом для образца, аккумулятор энергии, пневматический источник давления, соединенный с полостью аккумулятора, согласно техническому решению он снабжен механизмом формирования в образце сплошной трещины с возможностью ее выхода в полость аккумулятора энергии через его дно, выполненное в образце.
Одной из возможных причин, инициирующих динамические проявления породного массива, является выход растущей в нем трещины на поверхность флюида, находящегося под высоким давлением, например, на дно океана, в места скопления газа, нефти, воды, магмы. Обусловлено это тем, что образование трещины означает возникновение свободного пространства с нулевым давлением. Поэтому на границе флюида в момент выхода на него трещины возникает градиент давления, равный давлению флюида, которое может достигать ста (дно океана в Марианской впадине) и даже тысячи МПа (в глубине земной коры). При таких значениях градиента давления флюид проникает в трещину с огромной скоростью (подобно выстрелу водой из водомета) с возникновением после ее заполнения гидравлического (газового) удара, из-за чего дальнейший рост трещины протекает в динамическом режиме. Растущая трещина и поступающая в нее энергия из области нахождения флюида изменяют равновесное состояние породного массива, что при условии его критического напряженно-деформированного состояния может привести к масштабному динамическому процессу, воспринимаемому как выброс газа (в шахтах), горный удар или даже землетрясение. Выход трещины на дно океана растягивает время, в течение которого она остается открытой, за счет затраты времени на торможение жидкости, набравшей большую скорость (кинетическую энергию) при разгоне ее огромным градиентом давления и, таким образом, увеличивает объем проникающей под дно океана воды. Этот процесс проявляется как цунами, т.е. первоначальным оттоком воды от берега и последующим ее возвращением в виде волны с относительно высоким гребнем. Процессы, протекающие до и после взаимодействия флюида под высоким давлением и выходящей на него трещины, являются многопараметрическими с неопределенными связями между параметрами. Поэтому их изучение в настоящее время возможно лишь путем проведения экспериментов, например, физического моделирования, для чего необходим предлагаемый стенд.
Снабжение стенда механизмом формирования в образце сплошной трещины с возможностью ее выхода в полость аккумулятора энергии через его дно, выполненное в образце, обеспечивает возможность моделирования процесса возникновения и роста в породном массиве естественной трещины и ее развития в направлении флюида, находящегося под высоким давлением. Для этого полость аккумулятора энергии предварительно заполняют флюидом и создают в нем давление. Отметим, что процесс возникновения и роста естественных трещин в породном массиве широко распространен и протекает при достижении напряжений в горной породе предела ее прочности. В результате, в сравнении с прототипом, за счет моделирования процессов до и после выхода на поверхность флюида, находящегося под высоким давлением, трещины, формируемой в хрупкой среде, повышается эффективность работы стенда.
Целесообразно указанный механизм формирования в образце сплошной трещины выполнить в виде болта, в котором просверлено сквозное продольное отверстие с резьбой, куда вкручен винт, а в свободной от винта части этого отверстия размещено пластичное вещество с высоким сопротивлением изменению формы. Это исключает необходимость использования относительно сложных силовых установок для разрушения твердых тел, так как позволяет максимально использовать известные технические решения по разрыву хрупких сред типа горных пород, что повышает эффективность работы стенда.
Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения стенда для исследования энергообмена в массиве горных пород и чертежом, на котором показана схема указанного стенда в вертикальном разрезе.
Стенд содержит опорную раму, размещенные в ней захват для образца, гидравлический механизм поджатия образца, связанный с захватом для образца, аккумулятор энергии, пневматический источник давления, соединенный с полостью аккумулятора энергии, и механизм формирования в образце сплошной трещины с возможностью ее выхода в полость аккумулятора энергии через его дно, выполненное в образце. Стенд включает не показанный на чертеже широко известный одноосный пресс, выполняющий функции опорной рамы, захвата образца 1 и гидравлического механизма поджатия образца 1. При этом захват образца 1 состоит из верхней плиты 2 (далее - плита 2) и нижней плиты 3 (далее - плита 3) одноосного пресса. Аккумулятор энергии включает стакан 4 с радиальным отверстием 5 возле его дна и уплотнительными кольцами 6 (далее - кольца 6). Дно 7 аккумулятора энергии выполнено в образце 1, в котором формирована сплошная трещина 8 (далее - трещина 8) с возможностью ее выхода в полость указанного аккумулятора. Для подсоединения стакана 4 к пневматическому источнику давления (на чертеже не показан) в отверстии 5 установлен и закреплен штуцер 9 с накидной гайкой 10 и трубкой 11. Механизм формирования в образце 1 трещины 8 выполнен в виде болта 12, в котором просверлено сквозное продольное отверстие 13 (далее - отверстие 13) с резьбой (на чертеже не показана), куда вкручен винт 14, а в свободной от винта 14 части отверстия 13 размещено пластичное вещество 15 (далее -вещество 15) с высоким сопротивлением изменению формы. Винт 14 для удобства его вращения снабжен рукояткой 16. В образце 1 для установки указанного механизма формирования трещины 8 просверлено отверстие 17. Стенд снабжен плитой 18, контактирующей с поверхностью образца 1, противоположной плите 3 и имеющей центральное отверстие 19, через которое пропущен стакан 4. Между плитами 2 и 18 установлено разделительное кольцо 20 (далее - кольцо 20) с прорезью 21 на боковой поверхности для пропуска трубки 11. Для надежной герметизации аккумулятора энергии в образце 1 выполнено отверстие 22, в которое вставлен стакан 4 с кольцами 6, перекрывающими зазор между стаканом 4 и отверстием 22. Полость аккумулятора энергии, образованная стаканом 4 и образцом 1, заполнена флюидом - частично жидкостью 23, а выше жидкости 23 через трубку 11 - газом 24, находящимся под давлением. Стенд может быть снабжен видеокамерой 25 (для прозрачного образца 1). Направление поджатия образца 1 для создания в нем напряжения на чертеже показано стрелками.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
На плиту 3 устанавливают образец 1, на противоположную от плиты 3 поверхность которого опускают плиту 18. Через отверстие 19 в плите 18 в отверстие 22 образца 1 вставляют стакан 4 со стороны колец 6. На плите 18 устанавливают кольцо 20 таким образом, чтобы через его прорезь 21 проходила трубка 11. На свободный от плиты 18 торец кольца 20 опускают плиту 2. В забое отверстия 17 создают трещину 8 известным способом. Затем в отверстии 17 устанавливают и закрепляют (например, с помощью клея или резьбового соединения) болт 12 с винтом 14 и веществом 15. К плитам 2 и 3 с помощью гидравлической системы пресса, частью которого они являются, прикладывают заданное сжимающее усилие. Через трубку 11 в аккумулятор энергии (полость, образованную стаканом 4 и образцом 1) вначале нагнетают жидкость 23 фиксированного объема, а затем газ 24, давление которого поднимают до заданного значения. Под действием давления газа 24 дно стакан 4 придавливается к плите 2, после чего объем аккумулятора энергии практически не изменяется. Затем вкручиванием винта 14 в болт 12 вытесняют вещество 15 в трещину 8, от чего она начинает расти (формироваться до нужных размеров). Размеры трещины 8 доводят до ее выхода на поверхность жидкости 23 (полость аккумулятора энергии). Жидкость 23 в момент выхода на нее трещины 8 выстреливается давлением газа 24 в трещину 8 с проявлением эффекта гидравлического удара, от чего дальнейшее развитие трещины 8 протекает в динамическом режиме вплоть до ее выхода на свободные (боковые) поверхности образца 1. Процесс взаимодействия жидкости 23 и газа 24 с трещиной 8 регистрируется известными техническими средствами, в частности, для прозрачных образцов 1 может сниматься на видеокамеру 25.
Представленный на чертеже стенд обеспечивает использование стандартных серийно выпускаемых изделий без изменения конструкций составляющих их узлов. Например, чтобы установить в нем стакан 4, благодаря плите 18 и кольцу 20, не требуется изменять плиту 2 пресса, что позволяет после проведения на стенде экспериментов использовать пресс для решения других задач. Для подачи жидкости 23 практически можно использовать любой насос для перекачки ее из одной емкости в другую. При этом объем подаваемой жидкости 23 можно определять по уменьшению ее объема в откачиваемой емкости. Подачу газа 24 предполагается осуществлять подсоединением к трубке 11 баллона с воздухом или гелием под большим давлением и установленными на нем вентилем и манометром. При этом давление газа 24 можно регулировать вентилем по манометру.
Формирование в образце 1 сплошной трещины 8 предполагается осуществлять с использованием известных принципов и средств разрушения горных пород неньютоновскими жидкостями. Вместе с этим, в отличие от прототипа, формирование трещины 8 осуществляют веществом 15, которое может изменять свою форму без внутренней дезинтеграции (образования трещин внутри) только при необычно высоких усилиях его деформирования, например, свинцом. Вещество 15 с таким свойством стремится не столько проникнуть в трещину 8, сколько раздвинуть ее поверхности для образования пространства, в котором оно может разместиться с наименьшей затратой энергии на изменение своей формы, т.е. проявляет свойство клина. Однако, в отличие от традиционного клина, вещество 15 относительно легко может деформировать свою поверхность под контактирующую с ним поверхность горной породы. Поэтому на его контакте с поверхностью трещины 8 напряжений, способных привести к дополнительным разрывам горной породы с произвольной ориентацией, не возникает. В результате развивается только одна трещина 8, без существенного заполнения ее веществом 15, что создает условие для разгона в ней жидкости 23, а после полного ее заполнения жидкостью 23 - условие возникновения гидравлического удара.
Причиной возможных динамических проявлений в породном массиве при выходе растущей в нем трещины 8 на поверхность флюида, находящегося под высоким давлением, является также перетекание вместе с флюидом энергии в область нахождения трещины 8, обуславливающей разрушение горной породы растягивающими усилиями, т.е. с минимальной затратой энергий. Это подтверждается экспериментально и тем, что прочность большинства горных пород на растяжение примерно в десять раз меньше их прочности на сжатие. Согласно известным результатам исследований хрупкого разрушения растущая трещина 8 при наличии источника, поддерживающего в ней давление, развивается лавинообразно.
Регистрацию всех величин, измеряемых в ходе проведения экспериментов на стенде, предполагается осуществлять известными и доступными средствами. На чертеже они не показаны из-за большого количества и использования в различных сочетаниях в зависимости от свойств образцов, условий проведения исследований и решаемых задач.
Стенд позволяет проводить исследования энергообмена, способного инициировать в породном массиве опасные динамические явления при взаимодействии флюидов, находящихся под высоким давлением, и выходящих на них трещин 8. Результаты исследований предполагается использовать для совершенствования методик прогноза динамических проявлений породных массивов, например, выбросов газа (в шахтах), горных ударов, землетрясений, цунами, а также для создания способов перераспределения в них напряжений и разработки нетрадиционных технологий добычи полезных ископаемых без строительства шахт и рудников.