АППАРАТ НАГРУЗОЧНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ГРАДИЕНТА И СПОСОБ ТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ
GRADIENT STRESS LOAD TESTING APPARATUS AND METHOD FOR ACCURATE MEASUREMENT OF LOAD POWER

Область техники изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к области испытаний механических свойств пород, а конкретно - к устройству проверки градиента напряжений под нагрузкой и способу точного определения энергии (или мощности) нагрузки.
Уровень техники изобретения
[0002]Известны решения проверки градиента напряжений под нагрузкой и способы определения мощности нагрузки: XIE He-ping, PENG Rui-do, JU Yang, ZHOU Hong-wei “ON ENERGY ANALYSIS OF ROCK FAILURE” // Volume 24, Issue 15, August 2005 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering; Ruidong Peng, Yang Ju, J. G. Wang, Heping Xie, Feng Gao, Lingtao Mao “Energy Dissipation and Release During Coal Failure Under Conventional Triaxial Compression” // Rock Mech Rock Eng (2015) 48:509–526 DOI 10.1007/s00603-014-0602-0 ORIGINAL PAPER. Недостаток указанных решений заключается в недостаточно высокой точности измерения мощности нагрузки.
[0003] Тестер механических свойств пород преимущественно включает в себя одноосный и трехосный тестеры пород. Испытание механических свойств пород - один из наиважнейших подходов к исследованиям в этой области техники. Тестер механических свойств пород может в полной мере моделировать механические свойства каменистого грунта в исходном напряженном состоянии коры. Поскольку глубоко залегающие породы пребывают в сложном напряженном состоянии, необходимо исследовать механические свойства пород в рамках мощности, связанной с проблемой горного удара толщи пород или рудной массы в процессе горнотехнических мероприятий. Настоящий тестер механических свойств может применяться в отношении трехосного испытания пород на сдвиг под высоким всесторонним давлением и для проведения испытания на ползучесть при постоянном всестороннем давлении. Параметры испытаний могут быть заданы по запросу, а весь процесс испытаний управляется с помощью микрокомпьютера для регистрации данных испытаний с высокой степенью автоматизации. Однако современному тестеру механических свойств пород сложно давать нагрузку градиента напряжений и одновременно прикладывать неравномерную нагрузку градиента напряжений в одной и той же плоскости приложения нагрузки.
[0004] В процессе горнорудного производства вследствие неравномерного распределения напряжения по каждой груди забоя в окружающих породах во время горнотехнических мероприятий, а особенно на участках с опасностью горного удара в толще пород может легко накопиться внутреннее напряжение, что приведет к нестабильности пород и повышенной вероятности обрушения. Энергия упругой деформации, накопленная в окружающих породах, может легко высвободиться, провоцируя катастрофический динамический горный удар, а также влияя на тектонические напряжения и нарушения горнорудного производства. Некоторые ученые считают, что основополагающей причиной горного удара является накопление мощности. Что касается разных этапов горного удара, накопление мощности упругой деформации на раннем этапе формирования горного удара превосходит рассеивание мощности, а накопление мощности упругой деформации на более позднем этапе меньше, чем ее рассеивание. Чем дольше длится ранний этап, тем большее количество мощности высвобождается при горном ударе. При этом при использовании имеющихся устройств для проверки механических свойств пород и способа проверки сложно осуществлять контроль мощности нагрузки, а особенно - определять взаимосвязь между разрушением образцов горной породы и мощностью нагрузки. Для лучшего исследования механических свойств образцов пород в плане мощности необходимо дополнительно усовершенствовать существующие устройство и способ проверки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Для реализации градиента напряжений под нагрузкой и определения энергии нагрузки (или мощности нагрузки), воздействующей на образец для моделирования в режиме реального времени, с целью получения мощности разрушения этого образца согласно настоящему изобретению предлагаются устройство проверки градиента напряжений под нагрузкой и способ точного определения энергии нагрузки, которые включают в себя, в частности, следующее техническое решение.
[0006] Устройство проверки градиента напряжений под нагрузкой, включающее в себя тестер механических свойств пород, верхнюю нажимную пластину, фиксатор образцов, передатчик напряжений и образец для моделирования, при этом фиксатор образцов расположен на испытательном стенде тестера механических свойств пород, а образец для моделирования помещают между боковыми отражательными перегородками фиксатора; передатчик напряжений прижимается к верхней поверхности образца для моделирования, а к передатчику сверху прижимается верхняя нажимная пластина; фиксатор образцов имеет П-образную форму и включает в себя нижнюю и две боковых отражательных перегородки; передатчик напряжений включает в себя несколько высокопрочных пластинчатых материалов, комбинируемых в зависимости от величины жесткости, и эти материалы совместно передают усилие натиска верхней нажимной пластины; в образце для моделирования выполняется штрек для моделирования, а на верхней и нижней пластинах, а также на боковой стенке штрека для моделирования располагают несколько тензометров, и на верхней части образца для моделирования располагают датчик напряжений; подключение нагружающей системы тестера механических свойств пород, тензометра и датчика напряжений к компьютеру выполняется отдельно.
[0007] Предпочтительно, чтобы передатчик напряжений устанавливался так, чтобы он соответствовал боковым отражательным перегородкам фиксатора, и поверхность контакта, расположенная между передатчиком напряжений и боковой отражательной перегородкой, была гладкой, а индентор тестера механических свойств пород был прижат к верхней нажимной пластине.
[0008] Предпочтительно, чтобы верхняя нажимная пластина была представлена сплошной стальной пластиной с толщиной меньшей, чем у боковой отражательной перегородки фиксатора образцов.
[0009] Способ точного определения энергии нагрузки при проверке градиента напряжений под нагрузкой с помощью устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой по п. 1, включающий в себя следующие этапы:
[0010] Этап 1. Получение образца для моделирования, в котором выполняется штрек для моделирования, а также устанавливаются тензометр и датчик напряжений;
[0011] Этап 2. Помещение хорошо застывшего образца для моделирования между боковыми отражательными перегородками фиксатора образцов;
i
i
[0012] Этап 3. Укладка передатчика напряжений, состоящего из нескольких скомпонованных высокопрочных пластинчатых материалов, на образец для моделирования и равномерный прижим этих пластинчатых материалов к образцу, причем нагрузка прикладывается к полосоподобным участкам, где a- напряжение каждого высокопрочного пластинчатого материала, E - модуль упругости каждого пластинчатого материала, g - деформация высокопрочного пластинчатого материала, а i - последовательный номер высокопрочного пластинчатого материала, представленный целым положительным числом;
[0013] Этап 4. Размещение верхней нажимной пластины на передатчике напряжений и подача нагрузки на верхнюю нажимную пластину посредством тестера механических свойств пород, причем в процессе нагружения:
i
i
[0014] соблюдается условие a/E = g, и чем выше модуль упругости высокопрочного пластинчатого материала, тем больше величина напряжений, передаваемых им;
[0015] Этап 5. Вычисление мощности, действующей на образец для моделирования в отдельной области, а также вычисление и отображение энергии (или мощности) упругой деформации каждого высокопрочного пластинчатого материала и энергии (или мощности) нагрузки тестера механических свойств пород посредством компьютера, причем энергия нагрузки преобразуется в энергию упругой деформации и мощность, действующую на образец для моделирования, в рамках которого
[0016] энергию упругой деформации можно вычислить по формуле , где P - напряжение, обеспечиваемое передатчиком напряжений и контролируемое датчиком напряжений, Δl - величина деформации образца для моделирования, контролируемая тензометром; мощность нагрузки вычисляют по силе нагрузки F и смещению Δx индентера; и
[0017] Этап 6. Регистрация изменений показателей мощности в процессе, начиная с подачи нагрузки тестера механических свойств пород и заканчивая разрушением образца для испытаний.
[0018] Настоящее изобретение имеет следующие положительные эффекты.
[0019] (1) В рамках предложенного устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой фиксатор образцов обеспечивает закрепление образца для испытаний и объединяется с тестером механических свойств пород, что обеспечивает экономию по сравнению с непосредственным изменением тестера. В передатчике напряжений применяются несколько высокопрочных пластинчатых материалов разной жесткости для обеспечения градиента напряжений под нагрузкой согласно взаимосвязи напряжения, модуля упругости и деформации. В образце для моделирования выполняется штрек для моделирования, а также моделируется взаимосвязь мощности, деформации и разрушения в сочетании с установкой тензометра.
[0020] (2) Согласно способу точного определения мощности нагрузки при проверке градиента напряжений под нагрузкой этот градиент определяется при выполнении соответствующих этапов работы. Передатчик напряжений подает нагрузку на образец для моделирования на полосоподобных участках, а мощность нагрузки тестера и мощность упругой деформации передатчика напряжений определяют в соответствии с законом сохранения мощности; мощность, действующую на образец для моделирования, можно определить на отдельном участке для реализации контроля мощности, действующей на образец для моделирования, в режиме реального времени и, в конечном итоге, можно определить мощность разрушения этого образца.
Краткое описание чертежей
[0021] ФИГ. 1 - принципиальная схема устройства нагружающей части устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой.
[0022] ФИГ. 2 - принципиальная схема устройства фиксатора образцов для моделирования.
[0023] ФИГ. 3 - принципиальная схема устройства образца для моделирования.
[0024] ФИГ. 4 - схематическое изображение кривой поперечного сечения и распределения напряжений по образцу для моделирования.
[0025] ФИГ. 5 - принципиальная схема устройства передатчика напряжений.
[0026] Номера позиций на чертежах: 1. Верхняя нажимная пластина; 2. Фиксатор образцов; 3. Передатчик напряжений; 4. Образец для моделирования; 5. Компьютер; 201. Боковая отражательная перегородка; 202. Нижняя отражательная перегородка; 203. Отверстие под винт; 401. Штрек для моделирования; 402. Тензометр; 403. Датчик напряжений; 404. Кривая распределения напряжений.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
[0027] Как показано на ФИГ. 1-5, по настоящему изобретению предлагаются устройство проверки градиента напряжений под нагрузкой и способ точного определения мощности нагрузки, включающие в себя, в частности, следующее техническое решение.
[0028] Конкретно, конструкция устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой включает в себя тестер механических свойств пород, верхнюю нажимную пластину, фиксатор образцов, передатчик напряжений и образец для моделирования. Фиксатор образцов расположен на испытательном стенде тестера механических свойств пород, который может быть представлен стандартным тестером одноосного сжатия. Фиксатор образцов и тестер механических свойств пород разъемно соединены друг с другом. В рамках устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой фиксатор образцов обеспечивает закрепление образца для испытаний и объединяется с тестером механических свойств пород, что обеспечивает экономию по сравнению с непосредственным изменением тестера. В передатчике напряжений применяются несколько высокопрочных пластинчатых материалов разной жесткости для обеспечения градиента напряжений под нагрузкой согласно взаимосвязи напряжения, модуля упругости и деформации. В образце для моделирования выполняется штрек для моделирования, а также моделируется взаимосвязь мощности, деформации и разрушения в сочетании с установкой тензометра.
[0029] Образец для моделирования помещают между боковых отражательных пластин фиксатора образцов так, чтобы между ними оставался пренебрежительно малый зазор. На боковой поверхности фиксатора образцов расположены несколько винтовых отверстий. При необходимости могут быть добавлены отражательные перегородки спереди и сзади от боковой перегородки. Передатчик напряжений прижимается к верхней поверхности образца для моделирования, представляющего собой гладкую и плоскую поверхность контакта. Верхняя нажимная пластина, представленная пластиной жесткости, давит на передатчик напряжений. Верхняя нажимная пластина и боковая отражательная перегородка фиксатора образцов соответствуют друг другу, а ширина между боковыми отражательными перегородками немного превышает ширину верхней нажимной пластины. Фиксатор образцов имеет П-образную форму и включает в себя нижнюю и две боковых отражательных перегородки. Передатчик напряжений включает в себя несколько высокопрочных пластинчатых материалов, объединяемых в зависимости от величины жесткости. Несколько высокопрочных пластинчатых материалов совместно передают усилие натиска верхней нажимной пластины. Передатчик напряжений установлен в соответствии с боковыми отражательными перегородками фиксатора, и поверхность контакта, расположенная между передатчиком напряжений и боковой отражательной перегородкой, гладкая. Индентор тестера механических свойств пород прижат к верхней нажимной пластине. Верхняя нажимная пластина представлена сплошной стальной пластиной с толщиной меньшей, чем у боковой отражательной перегородки фиксатора образцов.
[0030] В образце для моделирования выполнен штрек для моделирования, и его размер и форма определяются в соответствии с масштабами проверки. Образец для моделирования может быть изготовлен из аналогичных материалов, и для контроля моделируемой деформации верхней, нижней пластин, боковых стенок и вспомогательных приспособлений штрека для моделирования на них устанавливают несколько тензометров. Для контроля напряжения, воздействующего на образец для моделирования, над ним расположены датчики напряжений, а количество высокопрочных пластинчатых материалов и датчиков напряжений совпадает, за счет чего обеспечивается определение усилия, оказываемого на образец для моделирования каждым таким материалом. Подключение нагружающей системы тестера механических свойств пород, тензометра и датчика напряжений к компьютеру выполняется отдельно.
[0031] Способ точного определения мощности нагрузки при проверке градиента напряжений под нагрузкой с помощью устройства проверки градиента напряжений под нагрузкой включает в себя следующие этапы.
[0032] Этап 1. Получение образца для моделирования, в котором выполняется штрек для моделирования, а также устанавливаются тензометр и датчик напряжений, и данный процесс включает в себя: подготовку аналогичных материалов; определение размера образца для моделирования; и выполнение штрека для моделирования непосредственно в фасонном литье или получение образца для моделирования кубической формы и выполнение штрека в нем, причем в процессе получения образца для моделирования тензометр и датчик напряжений соответствующим образом фиксируют внутри образца.
[0033] Этап 2. Помещение хорошо застывшего образца для моделирования между боковыми отражательными перегородками фиксатора образцов. Обеспечение полного застывания образца для моделирования после его затвердевания и гладкая шлифовка образца, в особенности - его верхней поверхности для обеспечения плоской и гладкой поверхности.
i
i
[0034] Этап 3. Установка передатчика напряжений, состоящего из нескольких точно подогнанных высокопрочных пластинчатых материалов, поверх образца для моделирования и их равномерный прижим к образцу с воздействием нагрузки на полосоподобные участки. a- напряжение каждого высокопрочного пластинчатого материала, E - модуль упругости каждого высокопрочного пластинчатого материала, g - деформация высокопрочного пластинчатого материала, i - последовательный номер высокопрочного пластинчатого материала, представленный целым положительным числом.
[0035] Как представлено на ФИГ. 4, посредством изменения распределения высокопрочных пластинчатых материалов с разными модулями упругости могут быть заданы разные кривые распределения напряжений для моделирования состояния напряжения окружающих пород штрека для моделирования. Как представлено на ФИГ. 5, высокопрочные пластинчатые материалы могут нумероваться согласно величине их модуля упругости или могут нумероваться последовательно в порядке установки. На ФИГ. 5 представлена нумерация по модулю упругости материалов. Высокопрочным пластинчатым материалам с одинаковым модулем упругости присваивают одинаковый номер, причем ширина высокопрочных пластинчатых материалов может быть одинаковой или разной. В зависимости от фактических потребностей при проведении проверки высокопрочный пластинчатый материал с более высоким значением модуля упругости подбирают для участка, на котором необходимо оказать большее напряжение, а материал с более низким значением модуля упругости - для участка, на котором необходимо оказать меньшее напряжение. Термины «больший» и «меньший» относятся, в частности, к сопоставлению модулей упругости высокопрочных пластинчатых материалов. Значения модуля упругости прилегающих высокопрочных пластинчатых материалов по обеим сторонам от положения пика напряжения последовательно снижаются так, чтобы более соответствовать фактическому распределению напряжений.
[0036] Этап 4. Размещение верхней нажимной пластины на передатчике напряжений и подача нагрузки на верхнюю нажимную пластину посредством тестера механических свойств пород. В процессе подачи нагрузки:
i
i
[0037] соблюдается условие a/E = g, и чем выше модуль упругости высокопрочного пластинчатого материала, тем больше величина напряжений, передаваемых им.
[0038] В процессе подачи нагрузки деформация различных сочетаний высокопрочных пластинчатых материалов одинакова. Следовательно, подбор сочетания пластин в каждом положении передатчика напряжений может быть рассчитан по следующей формуле:
1
1
2
2
3
3
4
5
[0039] a/E = a/E = a/E = a/E = g,
[0040] где i = 1, 2, 3, 4, 5, что соответствует последовательным номерам на ФИГ. 5 и представляет собой высокопрочные пластинчатые материалы разной твердости. По вышеприведенной формуле можно понять, что чем выше жесткость (модуль упругости E) каждого высокопрочного пластинчатого материала, тем выше напряжение, передаваемое этим материалом при той же деформации. То есть, градиент напряжений под нагрузкой может быть обеспечен посредством регулировки сочетания пластин.
[0041] Этап 5. Вычисление мощности, действующей на образец для моделирования в отдельной области, а также вычисление и отображение мощности упругой деформации каждого высокопрочного пластинчатого материала и мощности нагрузки тестера механических свойств пород посредством компьютера, причем мощность нагрузки преобразуется в мощность упругой деформации и мощность, действующую на образец для моделирования.
[0042] Мощность упругой деформации можно вычислить по формуле , где P - напряжение, обеспечиваемое передатчиком напряжений и контролируемое датчиком напряжений, Δl - величина деформации образца для моделирования, контролируемая тензометром; мощность нагрузки вычисляют по силе нагрузки F и смещению Δx индентера.
[0043] Принцип проведения расчетов мощности нагрузки следующий: постепенное наращивание внешнего усилия на объект не приводит к возникновению ускорения этого объекта, что можно рассматривать как преобразование мощности, сообщаемой внешним усилием, в мощность деформации, переходящую на объект; то есть, энергия, сообщаемая передатчиком напряжений, полностью преобразуется в мощность упругой деформации образца, а соответствующая энергия упругой деформации, сообщаемая передатчиком напряжений, вычисляется по формуле расчета мощности упругой деформации. Значение Δl в формуле - смещение, которое может контролироваться тензометром; P - усилие, сообщаемое передатчиком напряжений. Согласно третьему закону Ньютона, действие усилия обоюдное. Следовательно, усилие P может контролироваться датчиком напряжений или быть вычислено по деформации g, регистрируемой в виде модуля упругости передатчика напряжений, и по смещению нагружающего устройства, после чего можно вычислить мощность, сообщаемую образцу, на отдельном участке по формуле расчета мощности упругой деформации.
[0044] Принцип расчета мощности разрушения образца следующий: энергия, сообщаемая тестером механических свойств пород, преобразуется в две составляющие: одна составляющая воздействует на образец и, в конечном итоге, приводит к его разрушению; другая часть накапливается в передатчике напряжений в виде мощности упругой деформации. Мощность, накапливающуюся в передатчике напряжений, можно вычислить по формуле расчета мощности упругой деформации; мощность, сообщаемую образцу, можно вычислить по усилию нагрузки F и смещению Δx. Мощность при разрушении образца вычисляют по данным, полученным сразу после его разрушения.
[0045] Принцип расчетов вышеуказанной мощности следующий: вычисление и отображение мощности в режиме реального времени в процессе подачи нагрузки могут быть реализованы посредством сбора данных, вычислений и обработки данных на компьютере.
[0046] Этап 6. Регистрация изменений показателей мощности в процессе, начиная с подачи нагрузки тестера механических свойств пород и заканчивая разрушением образца для испытаний.
[0047] На верхнюю нажимную пластину подается нагрузка от индентера тестера механических свойств пород, и в процессе подачи нагрузки данные проверки регистрируются и выводятся компьютером; данные проверки регистрируются в процессе подачи нагрузки и отображаются на компьютере в режиме реального времени.
[0048] Состояние напряжения породы соответствует состоянию ее мощности, и переходы мощности происходят на протяжении всего процесса разрушения породы, включая этап упругой деформации, текучести и разрушения. Таким образом, за счет точного определения мощности образца породы на каждом этапе может быть выработана гипотетическая модель разрушения пород, приближенная к реальным условиям, для определения более точной закономерности разрушения пород.
[0049] В сравнении с прочими устройствами подачи напряжений под нагрузкой градиент напряжений под нагрузкой может быть обеспечен с помощью высокопрочных материалов, а мощность нагрузки можно точно установить по установленным тензометру, передатчику напряжений и т.п. Вышеприведенный способ испытаний прост и удобен при работе и обеспечивает точность измерений, благодаря чему вполне удовлетворяет требованиям проверки образца пород под нагрузкой.
[0050] Разумеется, вышеприведенные описания не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами. Изменения, модификации, дополнения или замены, производимые специалистами в этой области техники в рамках объема и сущности настоящего изобретения, должны входить в объем правовой охраны настоящего изобретения.