Прогноз усталостной прочности вмещающих пород угольных пластов методом импульсного электромагнитного излучения

© В.В. Иванов, К.В. Арлеев, О.Б. Ауванов, 2003

УАК 622.268.7

В.В. Иванов, К.В. Арлеев, О.Б. Ауванов

ПРОГНОЗ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕТОАОМ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Для решения технологических задач на угольных предприятиях необходима своевременная и достоверная оценка состояния кровли на основе всестороннего изучения структуры и физикомеханических свойств слагающих ее пород. В этом свете проблема прогнозной оценки усталостной прочности вмещающих пород чрезвычайно важна, так как часто из-за недостаточных объемов предварительной разведки структуры и свойств пород кровли на шахтах Кузбасса наблюдается внезапное обрушение и осадка кровли.

Нами предлагается нетрадиционный подход к прогнозу усталостной прочности вмещающих пород на основе кинетической концепции накопления микроповреждений структуры материалов при их лабораторных испытаниях. Получаемые при этом кинетические константы разрушения позволяют прогнозировать усталостную прочность в реальных условиях. Физический подход к выяснению причин низкой усталостной прочности вмещающих пород угольных пластов позволяет выявить наличие большого числа микротрещин, снижающих прочность и приводящих к потере устойчивости. Таким образом, отслеживание кинетики накопления микроповреждений структуры материала и нахождение кинетических констант разрушения, определяющих процесс их накопления при разных режимах изменения напряжений и температуры может оказаться более эффективными, чем традиционные методы оценки усталостной прочности вмещающих пород, которые весьма трудоемки, и требуют больших затрат времени и средств.

Кинетическая модель накопления повреждений структуры материалов для сложных неизотермических условий нагружения имеет следующий вид [1]:

N (t) =

/V И3

N*

T0Lc

exp

kT

l

= e ,

N*

exp

kT

dt = N

0 Т(^с

гдеЛ*- критическая концентрация трещин с размером 1; V - объем очага разрушения, т - время до полного разрушения.

Первое уравнение представляет собой скорректированное кинетическое уравнение С.Н. Журкова для скорости трещино-образования, уравнение (2) есть концентрационный критерий разрушения, а уравнение (3) -условие необратимости накопления повреждений структуры материала.

Кинетическая модель (1) - (3) нечувствительна к масштабному уровню разрушения, учитывает подобие процессов разрушения на разных уровнях, а кинетические константы U 0 и Y, найденные на образцах,

могут быть использованы в аналогичных условиях нагружения (объемное, одноосное сжатие - растяжение) для прогноза разрушения на любом уровне.

Для простоты расчетов предположим, что циклическое нагружение осуществляется путем приложения сжимающего или растягивающего напряжения с постоянной частотой (несимметрическое циклическое нагружение с Оmin / О max = 0 ). Используя уравнение (3) и учитывая, что скорость изменения напряжений постоянна в каждом цикле (О = const) для числа накопленных в каждом цикле повреждений структуры материала из (1) и (3) легко получить уравнение:

kTN* ( U±

kT

N1 =

T0LcYC

exp

exp

y& t kT

-1

где її* - критическое число микротрещин, которое накапливается в образце к моменту его разрушения, определяемое из (2) по известным размерам микротрещин /или непосредственно из результатов опыта по числу повреждений структуры образцов; t - время эксперимента, с; 7 - скорость нагружения. Па/с; Т - температура образца, °К; к - постоянная Больцмана, т° - период атомных колебаний.

Учитывая что Пц NI = N , где пц - число циклов

до полного разрушения образца, находим кинетические константы разрушения из условия минимума суммы квадратов отклонений теоретических значений Ик, от экспериментальных точек кинетической кривой накопления микротрещин:

X N-— exp\

k=1 I T0YC

\eJYitk. 1_ ; I ^ ^ кТ) |_ Я кТ ) Л и0,у

.

Вычисляя производные по а и р , приравнивая их к нулю, получаем уравнения для нахождения кинетических констант разрушения:

(1п N

X a^e ln(e і -і) X at0

n at 1 n at

ea -1 ' a • tQ ‘ ea -1

-1

X ln(ea -1) -£ In N

Г

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИИ ПЕСЧАНИКОВ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Тип, серия Кол-во оразцов № обр & осж цикл оА У ио п РЧ о О ЯН й

мм МПа Па м3 Дж шт шт

а 8 Я т о а 7 11 70 64,3 11147817 2,99Е-27 1,79Е-19 11 11

12 70 11682625 2,30Е-27 1,69Е-19 13 12

15 70 20288687 1,22Е-27 1,65Е-19 6 6

16 70 21767769 1,20Е-27 1,71Е-19 23 22

17 70 19379829 1,42Е-27 1,72Е-19 26 25

19 70 17623502 1,31Е-27 1,64Е-19 11 11

21 70 24612883 9,96Е-26 1,66Е-19 11 11

Песчаник 2 12 23 68 75,0 49 588 963 1,71Е-26 1,55Е-19 11 15

27 71 45 486 880 1,20Е-26 1,44Е-19 4 3

28 72 43 744 728 1,30Е-26 1,45Е-19 3 4

33 70 46 795 788 6,47Е-27 1,41Е-19 12 1

34 70 46 795 788 7,59Е-27 1,50Е-19 89 56

43 72 49 146 811 1,01Е-26 1,50Е-19 12 21

43а 70 51 406 143 1,24Е-26 1,46Е-19 5 8

53 60 63 482 483 1,16Е-26 1,38Е-19 4 1

55 56 73 118 419 1,17Е-26 1,53Е-19 84 12

60 58 67 695 045 6,83Е-27 1,44Е-19 13 4

62 59 67 002 517 5,09Е-27 1,48Е-19 79 22

64 42 86 658 867 1,05Е-26 1,41Е-19 33 2

п

в = -£П

а г в_ ио

где а _--------, в _ —.

кТ кТ

Решая уравнения (6), найдем Ц0и у для каждого исследуемого образца.

Определив значение Ц 0 и у , можно спрогнозировать усталостную прочность слоПв песчаника:

п, = 4

где = Ь/,

с , И- мощность слоя; 1- линейный раз-

мер образцов, на которых определяются кинетические константы разрушения; Цо, у - средневыборч-ные значения кинетических констант разрушения материала, определяемые на образцах; С д - амплитудные значения напряжений; f - частота приложения нагрузки, Гц.

Для определения кинетических констант разрушения образцов материалов вмещающих пород была собрана лабораторная установка, принципиальная блок - схема которой представлена на рисунке.

Для определения усталостной прочности нами проводились испытания образцов песчаников цилиндрической формы по следующей методике:

Каждый из исследуемых образцов помещался в ячейку и нагружался с постоянной скоростью

до напряжения

о А « 0.9-о

р

где

Ср - разрушающее для данного типа песчаника напряжение. Затем образец разгружался с той же скоростью до напряжения, равного нулю. В каждом цикле нагружения-разгрузки регистрировали число

Блок-схема лабораторной установки для изучения разрушения образцов методом ЭМИ: 1 - экранированная ячейка с образцом и датчиком электромагнитной эмиссии; 2 - нагружающее устройство; 3 - устройство для измерения температуры образца при разрушении; 4 - широкополосной усилитель; 5 - записывающий осциллограф; б- счетчик импульсов

1

1

накопленных микроповреждений структуры материала N (И,- - число зарегистрированных к моменту времени ^ микроповреждений). Процесс циклического нагружения повторяли до тех пор, пока образец полностью не разрушится, при этом регистрировалось полное число микроповреждений структуры образца за все время испытаний N и число циклов нагружения-разкрузки. Регистрировалась также температура воздуха в лаборатории во время испытаний (7).

В таблице представлены результаты лабораторных испытаний образцов песчаников на усталостную прочность при различных значениях амплитудной нагрузки.

В таблице приняты следующие обозначения: Ссж, Па - прочность материала серии на одноосное сжатие; ио, Дж, у, м3 -кинетические константы разрушения материала; сАцикл , Па - амплитудное значение

ц

нагрузки при циклических испытаниях; Пэкс- экспериментально зафиксированное число циклов нагружения до разрушения образца; П це0р -теоретическая оценка числа циклов нагружения до

разрушения образца при заданных условиях; ^ , мм - диаметр образцов для испытаний.

В целом наблюдается удовлетворительное соответствие показателей, определяемых экспериментально и прогнозируемых теоретически на основе найденных из эксперимента кинетических констант разрушения образцов. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения тех и других данных в 3^5 раз обусловлены тем, что при испытаниях не всегда удавалось выдерживать амплитуду циклической нагрузки и постоянную скорость нагружения-разгрузки, что и приводит к отклонениям результатов. Однако эти отклонения становятся несущественными при малых амплитудных нагрузках и числе циклов более 103. В этом случае точность прогноза существенно повышается, а ошибка прогноза по нашим оценкам не превышает 1^1,5%.

7аким образом разработанная нами методика применима для оценки усталостной прочности вмещающих пород на основе нелинейной кинетической модели накопления микроповреждений структуры материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афиногенов О.П., Иванов В.В. Теоретические основы обеспечения долговечности жестких одежд автомобильных дорог горнодобывающих предприятий. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001,-174 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------------------------

Иванов В.В. - профессор, доктор технических наук, Кузбасский государственный технический университет. Ардеев К.В.-аспирант, Кузбасский государственный технический университет.

Дуванов О.Б. - аспирант, Кузбасский государственный технический университет.

© И.А. Богомолов, М. К. Хуснутлинов, 2003

УАК 622.233.05+622.23.051.78

И.А. Богомолов, М.К. Хуснутлинов

О ПРИМЕНЕНИИ ШАРОШЕЧНОГО ТИПА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ААЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН НЕКРУГАОЙ ФОРМЫ

Ьпвиьзование концентраторов

И^пряжений на стенке скважины, Ь целью получения направленного действия взрыва для управления качеством подготовки вскрышных горных пород, может расширить возможности по эф-

фективному управлению его энергией [1]. В гидротехническом, мелиоративном и дорожном строительстве часто необходимо свести к минимуму при взрывных работах разрушение породы в глубь законтурного

массива. При решении этой задачи, а также при добыче взрывным способом монолитных глыб штучного камня, таким же образом можно повысить точность оконтуривания заданного профиля [2]. Для практической реализации необходим исполнительный орган, способный наносить концентраторы напряжений на стенке скважины.

Рациональным путем является создание исполнительного органа, который совмещал бы в себе функцию бурения и создания концентратора. В известных технических решениях, направленных на обеспечение возможности бурения скважин с продоль-