Инструментальное определение прочностных и деформационных свойств горных пород в натурных условиях

УДК 620.17:622.023

Е.В. Пугачев, В.А. Корнеев

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ

Метод вдавливания индентора в торец или стенки скважины является одним из перспективных инструментов натурного определения прочностных и деформационных свойств горных пород. Суть метода заключается в построении диаграммы напряжение-деформация при внедрении индентора, на основании которой осуществляется интерпретация свойств массива горных пород.

В отечественной и зарубежной практике разработано множество технических средств, реализующих данный метод исследований, однако механизм математической интерпретации результатов натурных измерений методом вдавливания индентора, соответствующий потребностям горной практики, в настоящее время не доведен до практического применения. При этом выявленные эмпирическим путем корреляционные зависимости между контактной прочностью горной породы и другими ее физико-механическими параметрами, а также применяемые приборы определения контактной прочности, не всегда по уровню надежности соответствуют требованиям по проведению работ при прогнозировании геомеханической обстановки в горных выработках..

Рис.1. Прочностномер ПСШ-1

В связи с данными обстоятельствами авторами настоящей статьи был разработан прибор для определения прочностных и деформационных свойств горных пород «Прочностномер ПСШ-1» (рис. 1), основными особенностями которого являются:

- испытание высоко крепких горных пород посредством оригинальной конструкции силового гидроцилиндра прибора [1];

- интерпретация свойств массива горных по-

род с использованием разработанной авторами математической модели напряженно-

деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора [2];

- запись измеряемых параметров на съемные носители информации для последующей обработки вне зоны проведения исследований.

Конструктивно прочностномер ПСШ-1 состоит из гидроцилиндра 1, насоса 2, рукава высокого давления 3, измерительного блока 4 и датчика давления 5 (рис. 1). Шток поршня гидроцилиндра оснащен индентором, взаимодействующим с горной породой при работе прибора.

Измерительный блок прибора включает в себя модуль сбора данных, нормализатор сигнала тен-зометрического датчика и блок питания, конструктивно размещенные в одном корпусе. Модуль сбора данных осуществляет регистрацию и обработку сигналов, а также хранение результатов измерения с датчика давления 5 и тензометрическо-го датчика, взаимодействующего с индентором прочностномера.

г/ й/

Рис.2. .Конструкция гидравлического цилиндра прочностномера ПСШ-1

Гидравлический цилиндр прибора [1] (рис. 2) представляет собой конструкцию с тремя концентрическими полостями: входной А, кольцевой В и напорной С. Бесштоковый поршень 1 своими цилиндрическими поверхностями Б и Е взаимодействует с поверхностью входной А и кольцевой В полостей соответственно. В напорной полости С помещен нагрузочный поршень 2 со штоком 3,

Геотехнология

5l

S

a

О

м

X

<D

ч

к

н

<й

к

QJ

к

Е

к

и

Перемещение индентора

а

б

Рис.3. Натурные испытания прочностномера ПСШ-1: а) диаграмма вдавливания индентора в стенку скважины в бетонном блоке; б) опалубка для изготовления блока

который оснащен индентором 4, взаимодействующим с горной породой 5. Кольцевая полость В имеет гидравлическую связь с напорной полостью С через канал 6. Каналы 7 и 8 предназначены для подвода рабочей жидкости во входную полость А гидроцилиндра и в штоковое пространство напорной полости С.

Принцип усиления, лежащий в основе предлагаемой конструкции, выражается зависимостью:

P = • S 2,

S - s 2 2

где Р - усилие на инденторе; q0 - давление в жидкости в полости А; S1, S2 - площадь сечения бесштокового поршня 1 и нагрузочного поршня 2 соответственно.

Интерпретация свойств массива при проведении исследований осуществляется посредством математической модели напряженно-

деформированного состояния горных пород в скважинах под действием индентора, реализованной на ЭВМ в виде пакета программ «Индентирова-ние» v 1.0, зарегистрированного в Государственном Реестре программ для ЭВМ [2].

Одной из особенностей данного программного

продукта является использование разработанного авторами алгоритма параллельного решения системы линейных уравнений методом исключения Гаусса для сильно разреженных матриц, имеющих ленточное строение [3], что в значительной степени сокращает время вычислений на ЭВМ.

Алгоритм обработки данных с прочностноме-ра ПСШ-1 позволяет получить график напряжение-деформация при вдавливании индентора, величину контактной прочности горной породы, а также определить модуль упругости и предел прочности при сжатии посредством обратного расчета.

На рис. 3-а приведена диаграмма вдавливания индентора в стенку скважины, полученная с карты памяти прочностномера ПСШ-1 при проведении исследований бетонного блока, залитого в специальной опалубке (рис. 3-б). Анализ диаграммы показывает ступенчатый характер разрушения материала, что впоследствии было подтверждено исследованием образовавшихся лунок на разных этапах разрушениям с использованием микроскопа МБС-2 при 25-кратном увеличении (рис. 4).

Сравнительное сопоставление свойств бетона, определенных посредством прочностномера ПСШ-1 с результатами испытаний его контроль-

а б в

Рис. 4. Фотографии лунок при разрушении бетона на различных этапах с указанием зоны разрушения: а) первый этап разрушения; б) второй этап разрушения; в) третий этап разрушения

ных образцов показало хорошую сходимость, что свидетельствует о перспективности использования предлагаемого устройства и программного обеспечения для комплексного исследования массивов

горных пород на предмет определения прочностных и деформационных свойств при изучении и прогнозировании геомеханических явлений в горных выработках.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент № 2433266 РФ, МПК Е21С39/00, в0Ш3/40. Погружной измеритель крепости горных пород / Л. Т. Дворников, В. А. Корнеев. - № 2010110978/03 ; заявл. 22.03.2010 ; опубл. 10.11.2011. - 5 с.: ил.

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612864 РФ. «Инденти-рование» V 1.0 / В. А. Корнеев. - № 2012610794 ; заявл. 08.02.2012 ; опубл. 22.03.2012. - 1 с.

3. Корнеев В. А. Реализация высокопроизводительных методов вычислений в задачах геомеханики / В. А. Корнеев // ГИАБ. - 2012. - № 2. - С. 383 - 385.

Авторы статьи

Пугачев Емельян Васильевич, докт. техн. наук, проф., зав. каф. электромеханики« (Сибирский государственный индустриальный университет), тел.: (3843) 74-86-37

Корнеев Виктор Александрович, ст. преподаватель, аспирант каф. электромеханики Сибирский государственный индустриальный университет), e-mail: com@rdtc.ru