Устройство для испытания образцов горной породы на сжатие
DEVICE FOR TESTING ROCK SAMPLES FOR COMPRESSION

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения прочностных показателей горных пород, в частности на сжатие.
Известно устройство для определения прочностных показателей горных пород методом соосных пуансонов (Карташов Ю.М. и др., Прочность и деформируемость горных пород. М.: Недра, 1979, с. 73-74), содержащее корпус и нагрузочные плунжеры (соосные пуансоны), между плоскими торцами которых устанавливают образец горной породы в виде плоского породного диска. Методика испытаний заключается в нагружении центральной области породного диска (образца) встречно и соосно направленными нагрузочными плунжерами с плоскими нагружающими торцевыми поверхностями, обеспечивающими режим задаваемой деформации. Диаметр торцевых поверхностей плунжеров 11,27 мм, диаметр образца от 30 до 100 мм, высота образца от 10 до 12 мм. По величине, разрушающей образец нагрузки, определяют значение показателя прочности горной породы при одноосном сжатии.
Недостатками данного устройства являются:
- большая трудоемкость работ по изготовлению дисков плоских продольных образцов горной породы со строго параллельными друг другу нагружающими торцевыми поверхностями: отклонение их от параллельности по ГОСТ 21153.2-84 не должно превышать 0,03-0,05 мм для обеспечения необходимой точности определения предела прочности при одноосном сжатии;
- необходимость тщательной притирки торцов нагрузочных плунжеров для обеспечения их параллельности (по ГОСТ 21153.2-84 допускаемое отклонение от параллельности не должно превышать 0,02 мм).
Известно устройство для испытания образцов горной породы на сжатие (авторское свидетельство SU №667855, МПК G01N 3/08, опубл. 15.06.1979), содержащее корпус, нагрузочный плунжер, пуансон и опорный сферический шарнир. Опорный сферический шарнир компенсирует непараллельность торцевых поверхностей образца при нагружении, поэтому требования к параллельности торцевых поверхностей в данном устройстве могут быть снижены.
К недостатку устройства относится то, что оно не обеспечивает режим задаваемой деформации при нагружении образца горной породы вследствие плоскопараллельного взаимного перемещения опорных поверхностей сферического шарнира и пуансона, так как опорный сферический шарнир имеет возможность поворота при нагружении образца горной породы. При этом нагружаемые плоскости образца горной породы смещаются друг относительно друга в горизонтальной плоскости и не остаются параллельными. Режим с задаваемой нагрузкой применительно к неоднородным и трещиноватым горным породам снижает точность получаемых показателей прочности из-за преждевременного разрушения более слабого участка образца горной породы.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для испытания образцов горной породы на сжатие (патент RU №2016394, МПК G01N 3/08, опубл. 15.07.1994), содержащее корпус, установленные в корпусе соосно нагрузочный плунжер с возможностью перемещения в направляющих корпуса, шарнирный элемент и пуансон, выполненные с плоскими опорными плоскостями, обеспечивающими взаимодействие с образцом горной породы. Шарнирный элемент выполнен в виде шарового сегмента, высота которого превышает радиус его сферы, диаметр его плоской поверхности, предназначенной для взаимодействия с образцом горной породы, равен диаметру пуансона. Устройство снабжено стопорным элементом, установленным на нагрузочном плунжере, с возможностью контактирования его с поверхностью шарового сегмента в области, расположенной между его плоской и параллельной ей диаметральной поверхностями.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, ограниченные технологические возможности, так как устройство позволяет определить значение предела прочности на разрушение сжатием образца горной породы, при этом оно не позволяет определить значение осевого и поперечного перемещения образца горной породы в процессе создания осевой нагрузки на образец горной породы до его разрушения, что не позволяет определить Модуль Юнга, коэффициент Пуансона и коэффициент внутреннего трения вследствие рассыпания образца при разрушении;
- во-вторых, отсутствие взаимной фиксации между пуансоном и шарнирным элементом приводит к смещению центров сжатия образца горной породы сверху и снизу, что приводит на 10-20% к снижению точности результатов испытания прочности на сжатие в момент разрушения образца горной породы и получению последующих ошибочных расчетов;
- в-третьих, отсутствие центровки плоскопараллельного перемещения плоских опорных поверхностей шарнирного элемента и пуансона относительно образца горной породы при его нагружении не обеспечивает значение задаваемой нагрузки на образец горной породы при его сжатии;
- в-четвертых, при разрушении образец горной породы распадается на мелкие осколки, что приводит к снижению безопасности при проведении испытания, а также к необходимости уборки после разрушения каждого образца, что снижает культуру производства.
Техническими задачами изобретения являются расширение технологических и функциональных возможностей устройства, повышение точности результатов испытания образцов горной породы на сжатие, повышение безопасности при проведении испытания, а также повышение культуры производства.
Технические задачи решаются устройством для испытания образцов горной породы на сжатие, содержащим корпус, установленные в корпусе соосно нагрузочный плунжер с возможностью перемещения в направляющих корпуса, шарнирный элемент и пуансон, выполненные с плоскими опорными плоскостями, обеспечивающими взаимодействие с верхним и нижним концами образца горной породы.
Новым является то, что устройство снабжено обечайкой в форме цилиндра, выполненной из термоусадочного материала, обеспечивающей размещение образца горной породы и герметичное соединение с наружными концевыми участками шарнирного элемента и пуансона, снаружи шарнирный элемент и пуансон жестко закреплены верхним и нижним кольцами, кольца зафиксированы двумя винтами, при этом винты установлены в отверстия верхнего кольца и ввернуты в резьбовые отверстия нижнего кольца и размещены под углом 180° относительно друг друга, при этом верхнее кольцо шарнирного элемента и нижнее кольцо пуансона снабжены дополнительными отверстиями, обеспечивающими установку стержня, причем в дополнительном отверстии нижнего кольца пуансона установлен датчик осевого перемещения образца горной породы, при этом посередине образца горной породы обечайка стянута цепью, оснащенной на концах зажимами с отверстиями, причем одно из отверстий зажима снабжено датчиком поперечного перемещения образца горной породы со штырем, установленным в отверстиях зажимов, при этом датчики осевого и поперечного перемещения оснащены электрическими проводами для передачи данных на персональный компьютер.
На фиг. 1 схематично в поперечном разрезе изображено устройство для испытания образцов горной породы на сжатие.
На фиг. 2 схематично в поперечном разрезе, повернутом на 90°, изображено устройство для испытания образцов горной породы на сжатие.
На фиг. 3 изображено сечение А-А устройства для испытания образцов горной породы на сжатие.
На фиг. 4 изображено сечение Б-Б устройства для испытания образцов горной породы на сжатие.
Устройство для испытания образцов горной породы на сжатие содержит корпус 1 (фиг. 1), установленные в корпусе соосно нагрузочный плунжер 2, шарнирный элемент 3 и пуансон 4. Нагрузочный плунжер 2 имеет возможность перемещения в направляющих 5 корпуса 1.
Шарнирный элемент 3 и пуансон 4 выполнены с плоскими опорными плоскостями 6 и 7 соответственно, обеспечивающими взаимодействие с верхним и нижним концами образца горной породы 8 (керн) длиной - L.
Устройство снабжено обечайкой 9 в форме цилиндра, выполненной из термоусадочного материала, обеспечивающей размещение образца горной породы 8 и герметичное соединение с наружным концевым участком 10 шарнирного элемента 3 и с наружным концевым участком 11 пуансона 4.
Термоусадочный материал применяют в виде рукава по ГОСТ 25951-83 «Пленка полиэтиленовая термоусадочная».
Снаружи шарнирный элемент 3 и пуансон 4 жестко закреплены верхним 12 и нижним 13 кольцами соответственно, например, с помощью сварного соединения.
Верхнее 12 и нижнее 13 кольца зафиксированы двумя винтами 14 и 15, что предотвращает взаимное радиальное смещение шарнирного элемента 3 и пуансона 4.
Винты 14 и 15 установлены в отверстия верхнего кольца 12 и ввернуты в резьбовые отверстия 18 и 19 нижнего кольца 13 и размещены под углом 180° (фиг. 3) относительно друг друга.
Верхнее кольцо 12 шарнирного элемента 3 и нижнее кольцо 13 пуансона 4 снабжены дополнительными отверстиями 20 (фиг. 2 и 3) и 21 соответственно.
Дополнительное отверстие 20 верхнего кольца 12 шарнирного элемента 3 и дополнительное отверстие 21 нижнего кольцо 13 пуансона 4 обеспечивают установку стержня 22.
В дополнительном отверстии 21 нижнего кольца 13 пуансона 4 установлен датчик осевого перемещения 23 образца горной породы 8. Датчик осевого перемещения 23 имеет электрический провод «а» (фиг. 3) для передачи данных на персональный компьютер (ПК) (на фиг. 1-4 не показано).
Посередине образца горной породы 8 (L/2) обечайка 9 (фиг. 1 и 4) стянута цепью 24, оснащенной на концах зажимами 25' и 25 м (фиг. 4) с соответствующими отверстиями 26' и 26''. Одно из отверстий зажима, например отверстие 26' зажима 25', снабжено датчиком поперечного перемещения 27 (радиального расширения) образца горной породы 8. В отверстия 26' и 26'' соответствующих зажимов 25' и 25'' установлен штырь 28 (фиг. 4), имеющий возможность поперечного перемещения. Зажимы 25' и 25'' зафиксированы между собой пружиной 29 (фиг. 4).
Датчик поперечного перемещения 27 имеет электрический провод «б» (фиг. 4) для передачи данных на ПК.
Устройство работает следующим образом.
Перед проведением испытания согласно ГОСТу 21163.8-88 по п. 3.4 изготавливают образец горной породы 8 в виде цилиндра с соотношением L=2⋅d (фиг. 1),
где L - длина образца горной породы 8, мм;
d - диаметр образца горной породы 8, мм. Например, испытываемый образец горной породы 8 имеет длину L=60 мм и диаметр d=30 мм.
Затем образец горной породы 8 устанавливают в обечайку 9, выполненную из термоусадочного материала в виде рукава, например, с внутренним диаметром 40 мм и длиной 100 мм. Образец горной породы 8 в обечайке 9 размещают симметрично так, чтобы обечайка 9 выступала по 20 мм от концов образца горной породы 8:
100 мм - 60 мм - 20 мм - 20 мм=0.
Герметизируют с помощью обечайки 9 образец горной породы 8, наружный концевой участок 10 шарнирного элемента 3 и наружный концевой участок 11 пуансона 4.
Герметизацию осуществляют с помощью электрофена (на фиг. 1-4 не показано). Для этого нагретую воздушную струю электрофена направляют на обечайку 9 с расположенным в ней образцом горной породы 8. Вращают обечайку 9 по периметру и длине относительно нагретой воздушной струи электрофена. Электрофен применяют по ГОСТ 22314-84 «Электрофены бытовые. Общие технические условия».
В процессе нагревания обечайка 9 дает усадку и герметизирует образец горной породы 8 с наружным концевым участком 10 шарнирного элемента 3 и с наружным концевым участком 11 пуансона 4.
Далее фиксируют центры сжатия образца горной породы 8 от вращения сверху - шарнирного элемента 3 и снизу - пуансона 4. Для этого вставляют винты 14 и 15, расположенные под углом 180° (фиг. 3) относительно друг друга, в отверстия 16 (фиг. 1) и 17 верхнего кольца 12 и вворачивают винты 14 и 15 в резьбовые отверстия 18 и 19 нижнего кольца 13.
Взаимная фиксация между пуансоном 4 и шарнирным элементом 3 осуществляется путем жесткой установки на них соответственно верхнего 12 и нижнего 13 колец с последующей стяжкой верхнего 12 и нижнего 13 колец двумя винтами 14 и 15. Это исключает смещение центров сжатия образца горной породы 8 между шарнирным элементом 3 сверху и пуансоном 4 снизу, что приводит к повышению точности результатов испытания прочности при одноосном сжатии в момент разрушения образца горной породы 8.
Нагрузочный плунжер 2 (фиг. 1) с шарнирным элементом 3 плавно опускают в направляющих 5 до контакта с образцом горной породы 8 и прикладывают сжимающую нагрузку Р (например, от пресса), равную, например, 40,0 МПа. При этом за счет сжатия, которое осуществляется путем осевого перемещения шарнирного элемента 3 относительно неподвижного пуансона 4, происходит деформация образца горной породы 8. В результате геометрические размеры образца горной породы 8 с обечайкой 9 изменяются. При этом происходит следующее:
- в осевом направлении стержень 22 (фиг. 2) совершает осевое перемещение в дополнительном отверстии 21 нижнего кольца 13 пуансона 4 относительно датчика осевого перемещения 23 образца горной породы 8, который по электрическому проводу «а» (фиг. 3) передает данные на ПК (на фиг. 1-4 не показано).
-3
ПК обрабатывает полученный с датчика осевого перемещения 23 электрический сигнал и выводит на монитор ПК величину сжатия образца горной породы Δ а, Δа=2⋅мм=2,0⋅10 м;
-3
- в радиальном направлении штырь 28 (фиг. 4) совершает поперечное перемещение в отверстии 26' зажима 25' относительно датчика поперечного перемещения 27 образца горной породы 8, который по электрическому проводу «б» передает данные на ПК. ПК обрабатывает полученный с датчика осевого перемещения 23 электрический сигнал и выводит на монитор ПК величину сжатия образца горной породы Δd=0,5 мм=0,5⋅10 м.
По полученным значениям Δ а и Δ d с помощью известных формул определяют:
- модуль Юнга (модуль продольной упругости) - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться сжатию, растяжению;
- коэффициент Пуансона (приложение сжимающей силы) - величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Этот коэффициент зависит от природы материала, из которого изготовлен образец.
Далее увеличивают сжимающую нагрузку Р на образец горной породы 8, и доводят нагрузку до разрушения образца горной породы 8. По величине сжимающей нагрузки Р, соответствующей разрушению, например, 720 МПа, судят о величине прочности горной породы при одноосном сжатии.
Предлагаемое устройство гарантированно обеспечивает значение задаваемой нагрузки через шарнирный элемент 3 на образец горной породы 8 при его сжатии за счет исключения плоско-параллельного перемещения опорных плоскостей шарнирного элемента 3 и пуансона 4 относительно образца горной породы 8, при его нагружении путем помещения образца горной породы 8, в обечайку 9 и герметизации образца горной породы 8 обечайкой 9 с наружными концевыми участками шарнирного элемента 3 и пуансона 4.
После разрушения образец горной породы 8 остается внутри обечайки 9. Наличие обечайки 9, выполненной из термопластичного материала, исключает распад на мелкие осколки образца горной породы 8 после разрушения и, как следствие, необходимость уборки осколков горной породы после разрушения каждого образца 8. Все это повышает безопасность при проведении испытания и культуру производства.
Далее по значению предела прочности образца горной породы 8 при разрушении 720,0 МПа рассчитывают коэффициент внутреннего трения.
Предлагаемое устройство позволяет определять значения осевого и поперечного перемещения образца горной породы 8 в процессе создания осевой нагрузки на образец горной породы 8 до его разрушения, по которым рассчитывают Модуль Юнга и коэффициент Пуансона, а по значению предела прочности образца горной породы 8 при разрушении рассчитывают коэффициент внутреннего трения. Все это расширяет функциональные и технологические возможности устройства и делает его более совершенным по сравнению с наиболее близким аналогом.
Предлагаемое устройство позволяет:
- расширить технологические и функциональные возможности устройства;
- повысить точность результатов испытания образцов горной породы на сжатие;
- повысить безопасность при проведении испытания;
- повысить культуру производства при работе с устройством.