Способ исследования прочностных свойств горных пород на сжатие и устройство для его осуществления
METHOD FOR COMPRESSION TESTING OF ROCK STRENGTH PROPERTIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Технические решения относятся к исследованию материалов путем определения их физических свойств и могут быть использованы для статического и динамического сжатия образцов горных пород и определения совокупности физических величин, характеризующих начальную стадию процесса их разрушения, например, спектра упругих колебаний от образования микротрещин.
Известен способ определения коэффициента Пуассона материала по патенту РФ №2361188, кл. G01N 3/08, опубл. 10.07.2009 г. Он включает одноосное механическое нагружение образца, регистрацию с помощью двух независимых измерительных каналов возникающих при этом поперечных и продольных деформаций и вычисление коэффициента Пуассона по результатам этих измерений. Синхронно с деформациями измеряют и регистрируют по третьему измерительному каналу активность акустической эмиссии образца. Поперечные и продольные деформации измеряют на временном интервале механического нагружения образца, на котором зарегистрированные значения активности акустической эмиссии минимальны.
Общим у аналога и предлагаемого способа является одноосное механическое нагружение образца, измерение и регистрация активности его акустической эмиссии.
В этом способе на материал не воздействуют дополнительной ударной нагрузкой и не определяют спектр акустической эмиссии и его изменение от микротрещин, возникающих при достижении суммарной нагрузки предела прочности материала. Поэтому его использование для выявления закономерностей изменения спектра акустической эмиссии при достижении совокупности статической и динамической нагрузок на материал предела его прочности на сжатие малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения энергии разрушения горных пород по авт.св. СССР №628430, кл. G01N 3/303, опубл. 15.10.1978 г., по которому образец, размещенный на наковальне, подвергают ударному воздействию падающим грузом с известной начальной энергией. Начальную энергию падающего груза выбирают из условия объемного разрушения образца на две части. Измеряют амплитуды импульса акустического сигнала, распространяющегося в наковальне при разрушении образца и при ударе груза о наковальню без образца. По разности амплитуд определяют энергию разрушения.
Общим у прототипа с предлагаемым способом является размещение образца на наковальне, воздействие на него падающим грузом с известной начальной энергией, прием акустических импульсов.
В этом способе горную породу разрушают ударной нагрузкой без предварительного создания в ней напряжений, из-за чего не учитываются условия, в которых она находится в породном массиве. В нем не определяют спектр импульсов акустических сигналов от трещин, возникающих при разрушении горной породы. В результате получаемые сведения о прочностных свойствах горной породы имеют сравнительно малую информативность. Поэтому способ обладает относительно низкой эффективностью.
Известен пресс для испытания материалов на сжатие по авт.св. СССР №85849, кл. G01N 3/08, В30В 1/20, опубл. 00. 00. 1950 г. с применением упругой среды, передающей усилие прессования. В качестве упругой среды применены стальные шарики.
Общим у аналога с предлагаемым устройством является применение упругой среды, передающей усилие прессования, использование для передачи усилия прессования среды, не описываемой известными законами гидравлики.
К среде из стальных шариков не применим закон Паскаля, из-за чего усилие прессования не определяется произведением площади поршня пресса на давление среды. Для определения усилия прессования необходимо между плитами пресса и материалом устанавливать динамометр, на который действуют все прилагаемые к материалу нагрузки, включая усилия от ударных механизмов, от чего существенно снижается достоверность определения статических величин. В прессе не предусмотрена возможность создания динамических нагрузок на материал и определения спектра импульсов акустических сигналов. Поэтому его использование для исследования прочностных свойств горных пород от совокупности статической и динамической нагрузок малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для определения устойчивости материала к удару по патенту РФ №2578249, кл. G01N 3/303, опубл. 27.03.2016 г., содержащее станину, направляющую, ударный элемент с механизмом приведения его в движение. Направляющая выполнена в виде трубы, продольно закрепленной на штативе с возможностью поворота, причем в полости трубы расположен ударный элемент, выполненный составным из наборных пластин и сменного бойка.
Общим у прототипа с предлагаемым устройством является наличие станины, направляющей в виде трубы, продольно закрепленной на станине с возможностью поворота, ударного элемента с механизмом приведения его в движение, расположенного в полости трубы.
В этом устройстве не предусмотрена возможность создания в горной породе статических напряжений и их изменения в пределах ее прочности на сжатие. Оно не позволяет фиксировать появления трещин по спектру упругих колебаний. Все это обуславливает относительно низкую эффективность устройства.
Решаемые проблемы заключаются в повышении эффективности способа за счет воздействия на горную породу совокупностью статических и динамических нагрузок до возникновения микротрещин и фиксации их появления по спектру упругих колебаний, а также в повышении эффективности устройства за счет расширения его возможностей на статическое сжатие горной породы, прием и обработку упругих колебаний.
Проблема решается тем, что в способе исследования прочностных свойств горных пород на сжатие, включающем размещение на наковальне образца, воздействие на него падающим грузом с известной начальной энергией, прием импульсов акустических сигналов, возникающих при разрушении образца, согласно техническому решению образец по направлению падающего груза предварительно сжимают статическим усилием, а начальную энергию падающего груза увеличивают от нулевого значения до возникновения в образце микротрещин, что фиксируют по частотному спектру импульсов акустических сигналов, при этом образец сжимают статическим усилием во всем диапазоне его устойчивости к разрушению.
Такое техническое решение позволяет по значениям начальной энергии падающего груза, приводящей к возникновению микротрещин, оценивать разность между предельной прочностью горной породы на сжатие и фактически сжимающих ее напряжений без доведения горной породы до процесса лавинообразного хрупкого разрушения. Обусловлено это следующим. В горной породе при достижении в ней напряжений предела ее прочности начинается процесс разрушения. Если при этом напряжения существенно не меняются, а горная порода является хрупкой, то согласно результатам многочисленных исследований процесс ее разрушения носит лавинообразный характер. Для горных предприятий это означает неуправляемое динамическое проявление породного массива в виде горного удара, обрушения выработок, образования завалов с тяжелыми последствиями. Вместе с этим, если напряжение в горной породе поднимать до предела ее прочности на короткий промежуток времени, обусловленный временем действия ударной нагрузки, то возникающие микротрещины не развиваются из-за резкого падения напряжения во вмещающей их среде после ударного импульса. В результате по значениям начальной энергии падающего груза, приводящей к возникновению микротрещин, не доводя горную породу до полного лавинообразного разрушения, получают информацию о том, какую еще дополнительную статическую нагрузку она способна выдержать. Для этого образец по направлению падающего груза предварительно сжимают статическим усилием, а начальную энергию падающего груза увеличивают от нулевого значения до возникновения в образце микротрещин. Частотный спектр излучаемых микротрещинами импульсов акустических сигналов определяют также для отделения сигналов, исходящих непосредственно от возникающих в конкретной горной породе микротрещин, от других источников упругих колебаний, например, падающего груза, работающего оборудования. При этом по появлению в спектре характерных гармоник фиксируют начало разрушения горной породы. За счет того, что образец сжимают статическим усилием во всем диапазоне его устойчивости к разрушению, получают такие прочностные характеристики горной породы (зависимости), благодаря которым напряжение в конкретной горной породе можно определять по начальной энергии падающего груза, при которой начинают возникать микротрещины. Таким образом, повышается эффективность способа за счет воздействия на горную породу совокупностью статических и динамических нагрузок до возникновения микротрещин и фиксации их появления по спектру упругих колебаний от них.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе образец не разрушают до его разделения на отдельные части, не измеряют амплитуды импульса акустического сигнала, распространяющегося в наковальне при разрушении образца и при ударе груза о наковальню без образца. Вместо этого в предлагаемом способе в горной породе создают поле напряжений, ориентированных по направлению действия ударной нагрузки, а ударную нагрузку доводят лишь до возникновения в горной породе микротрещин, что фиксируют по частотному спектру упругих сигналов от них.
Проблема решается также тем, что в устройстве для исследования прочностных свойств горных пород на сжатие, содержащем станину, направляющую в виде трубы с возможностью поворота, ударный элемент с механизмом приведения его в движение, расположенный в полости трубы, согласно техническому решению станина выполнена в виде стакана с окнами для установки образца и радиальным отверстием, в котором закреплена трубка с внутренней резьбой, куда вкручен винт с рукояткой. Стакан связан резьбовым соединением с трубой, в конец которой со стороны резьбового соединения вставлена пробка с возможностью ограниченного продольного перемещения. В стакане между окон и радиальным отверстием размещен поршень, а между поршнем и дном стакана в трубку подано пластичное вещество. Имеются датчик давления пластичного вещества и система определения совокупности физических величин, характеризующих процесс разрушения горной породы, например, спектра упругих колебаний от возникающих микротрещин.
Такое техническое решение обеспечивает возможность воздействовать на горную породу совокупностью статических и динамических сжимающих нагрузок во всем диапазоне ее прочностных характеристик, а также определять множество физических величин, содержащих информацию о начальной стадии процесса ее разрушения, например, спектра упругих колебаний от образования микротрещин. Выполнение станины в виде стакана с окнами для установки образца и радиальным отверстием, в котором закреплена трубка с внутренней резьбой, куда вкручен винт с рукояткой, позволяет устанавливать испытуемый образец между сжимающими его элементами, нагнетать в устройство пластичное вещество, совмещать по направлению воздействия на горную породу статической и динамической нагрузок. Резьбовое соединение стакана с трубой обеспечивает возможность устанавливать поршень в исходное положение и предварительно прижимать к нему образец горной породы. Введение пробки в конец трубы со стороны ее резьбового соединения со стаканом с возможностью ограниченного продольного перемещения позволяет передавать энергию падающего груза образцу горной породы, предварительно сжатой с заданным усилием. Установка поршня в стакане между окон и радиальным отверстием позволяет использовать его в качестве наковальни и элемента удержания статической нагрузки на образец горной породы. За счет пластичного вещества, поданного между поршнем и дном стакана и в трубку, обеспечивается жесткость сжимающих образец горной породы элементов во время действия ударной нагрузки и статическая нагрузка на образец горной породы любой величины в пределах ее прочности наиболее простыми техническими средствами. Наличие датчика давления пластичного вещества, а также системы определения совокупности физических величин, характеризующих процесс разрушения горной породы, например, спектра упругих колебаний от возникающих микротрещин, обеспечивают условия для выявления закономерностей при исследовании прочностных свойств горных пород на сжатие. Таким образом, повышается эффективность устройства за счет расширения его возможностей на статическое сжатие горной породы, прием и обработку упругих колебаний.
В предлагаемом устройстве в сравнении с прототипом станина выполнена в виде стакана, в котором установлен поршень, создающий статическую нагрузку, совпадающую по направлению с движением ударного элемента. Для этого устройство снабжено узлом для нагнетания между дном стакана и поршнем пластичного вещества, включающим трубку с внутренней резьбой, куда вкручен винт с рукояткой. Предлагаемое устройство имеет также датчик давления пластичного вещества и систему определения совокупности физических величин, характеризующих процесс разрушения горной породы, например, спектра упругих колебаний от возникающих микротрещин.
Сущность технических решений поясняется примером реализации способа исследования прочностных свойств горных пород на сжатие, конкретным исполнением устройства для исследования прочностных свойств горных пород на сжатие и чертежами фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана схема исследования прочностных свойств горных пород на сжатие и устройство для его осуществления, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Способ исследования прочностных свойств горных пород на сжатие реализуют с помощью устройства того же назначения (далее - устройство) следующим образом.
Устройство (фиг. 1) содержит станину, направляющую в виде трубы 1 с возможностью поворота, ударный элемент в виде груза 2 с механизмом приведения его в движение (на фиг. 1 не показан), расположенный в полости трубы 1. Станина выполнена в виде стакана 3 с окнами 4 для установки образца (далее - окна 4) и радиальным отверстием 5. В отверстии 5 закреплена трубка 6 с внутренней резьбой 7 (далее - резьба 7), куда вкручен винт 8 с рукояткой 9. Стакан 3 связан резьбовым соединением 10 (далее - резьба 10) с трубой 1, в конец которой со стороны резьбы 10 вставлена пробка 11 с возможностью ограниченного продольного перемещения (далее - пробка 11). В стакане 3 между окон 4 и отверстием 5 размещен поршень 12, способный выполнять также функцию и наковальни. Между поршнем 12 и дном стакана 3 и в трубку 6 подано пластичное вещество 13 (далее - вещество 13). Устройство имеет датчик 14 давления вещества 13 (далее - датчик 14), который может быть установлен на конце трубки 7 со стороны отверстия 5, и систему (на фиг. 1 не показана) определения совокупности физических величин, характеризующих процесс разрушения горной породы, например, спектра упругих колебаний от возникающих микротрещин. Трубка 6 в отверстии 5 может закрепляться посредством резьбового соединения 15. Груз 2 с механизмом приведения его в движение может быть связан через трос 16. Для исключения перекрытия поршнем 12 отверстия 5, через которое в стакан 3 поступает вещество 13, внутри стакана 3 возле его дна выполнен кольцевой выступ 17. Чтобы исключить возможность выпадения пробки 11 из трубы 1, на ее боковой поверхности выполнен кольцевой паз 18, в который введены болты 19, закрепленные в радиальных отверстиях 20, предварительно выполненных в трубе 1. Пробка 11 выполнена со ступенчатым утолщением 21, контактирующим с торцом трубы 1 для устранения передачи статической нагрузки болтам 19.
Образец 22 горной породы (далее - образец 22) через окна 4 устанавливают между пробкой 11 и поршнем 12 и зажимают вкручиванием трубы 1 в стакан 3. На боковой поверхности образца 22 устанавливают приемник 23 упругих колебаний с кабелем 24 (фиг. 2) и определяют частотный спектр поступающих с него сигналов. Вкручиванием винта 8 в трубку 6 поднимают давление в веществе 13, от чего поршень 12 воздействует на образец 22 статическим усилием и создает в нем напряжения, ориентированные вдоль оси устройства. Затем поднимают груз 2 и сбрасывают его с заданной высоты, определяющей его начальную энергию (при фиксированной массе груза 2). При соударении груза 2 с пробкой 11 к образцу 22 прикладывается дополнительная ударная нагрузка, совпадающая по направлению с напряжениями, обусловленными действием поршня 12. При этом поршень 12 выполняет функцию наковальни. Высоту подъема груза 2 (его начальную энергию) увеличивают от нулевого значения до появления в образце 22 микротрещин, что фиксируют по появлению характерных гармоник в частотном спектре сигналов с приемника 23. Операции по подъему и сбросу груза 2 проводят при различных значениях статических напряжений в образце 22, определяемых через давление вещества 13, размеры поршня 12 и образца 22. Величину статических напряжений в образце 22 доводят до предела его прочности (до разрушения). После проведения исследований на одном образце 22 сбрасывают давление вещества 13 выкручиванием винта 8 из трубки 6. Затем выкручиванием трубы 1 из стакана 3 освобождают образец 22 от зажатия и извлекают его через окна 4. Затем проводят исследование на других образцах 22 аналогичным образом. Отметим, что поршень 12 при прижатии к нему образца 22 вкручиванием трубы 1 в стакан 3 устанавливается в исходное положение, в большинстве случаев опускается до упора в кольцевой выступ 17. Отметим также, что в грузе 2 для исключения существенного влияния сопротивления воздуха на характер его движения вдоль трубы 1 могут быть выполнены сквозные продольные отверстия 25, благодаря которым под грузом 2 не возникает поршневого эффекта.
Одним из существенных отличий предлагаемого устройства является использование вещества 13, обладающего свойством герметика, жидкости и твердого тела. Благодаря свойству герметика в устройстве не нужно устанавливать уплотнительные элементы. Согласно результатам проведенных исследований из-за высокого сопротивления перемещению между сближенными поверхностями вещество 13 типа пластилина не продавливается через резьбу M16 при давлении 100 МПа и выше. Поэтому нагнетательный узел состоит всего из трех деталей: - трубки 6 и винта 8 с рукояткой 9. Вместе с этим подобно жидкости вещество 13 передает давление, что проявляется как эффект гидравлического усиления, когда сравнительно слабое усилие вкручивания винта 8 в трубку 6 преобразуется в многократно большее усилие воздействия поршня 12 на образец 22. Проявление свойства твердого тела обусловлено высокой инерционностью вещества 13 к деформации. Поэтому по отношению к падающему грузу 2 совокупность стакана 3, вещества 13 и поршня 12 аналогична жесткой наковальне. Отметим, что для измерения статического давления вещества 13 предполагается использовать датчик 14 с плоской мембраной, например, преобразователь МПД-02ВД, и с целью исключения возможности его повреждения от динамических нагрузок устанавливать не по направлению падающего груза 2, как показано на фиг. 1.
На фиг. 2 показано, что на образце 22 установлен только один приемник 23 для наглядности и упрощения описания. Фактически на образец 22 можно в зависимости от целей исследований устанавливать множество различных по назначению преобразователей (например, деформации, электрического сопротивления, электромагнитной эмиссии).
Технические решения предполагается использовать для реализации разработанного способа оценки напряженного состояния породного массива по его реакции на действие комбинированной нагрузкой (статической и ударной). Например, используя сведения, полученные при испытании предлагаемым способом образцов конкретных горных пород, можно по параметрам ударных нагрузок, при которых начинают появляться характерные микротрещины, оценивать статические напряжения в породном массиве.