книги из ГПНТБ / Карташов Ю.М. Ускоренные методы определения реологических свойств горных пород

или рычажными установками: простота конструкции, обеспечение относительно высокого давления при не­ больших размерах испытательных приборов, возмож­ ность стабилизации давлений в течение всего экспери­ мента с достаточно высокой точностью.

Установка (тип УП-2) состоит из девяти испыта­ тельных секций (на схеме условно показаны только две), в каждой из которых осуществляется одновре­ менное нагружение трех образцов породы 1—3, и гид­ равлической системы нагружения. Нагружение осу­ ществляется от баллонов 4—7 со сжатым азотом и бал­ лонов 8—10 с компрессорным маслом. Необходимое давление в рабочих баллонах 4—7 создается с по­ мощью сменного баллона 11 с высоким давлением. Компрессорное масло от баллонов 8— 10 поступает на вход каждой испытательной секции (в гидравлический пресс, состоящий из цилиндра 12 и поршня 13), и пере­ дает давление через поршень 13 на образцы 1—3.

Поршни в гидравлических прессах секций имеют разную площадь сечения. При поступлении на вход секций расчетного постоянного давления нагрузки, пе­ редаваемые на образцы, составляют от 10 до 90% пре­ дела прочности породы на одноосное сжатие (че­ рез 10%).

Чтобы обеспечить необходимую жесткость конст­ рукции, применяют балки 14 и 15, соединенные друг с другом болтами 16. Возможные перекосы образцов при испытаниях предотвращаются с помощью направ­ ляющих 17 с шариковыми вкладышами, конструктивно выполненных в виде трубчатых обойм, смонтирован­ ных на соединительных болтах 16. Тарировка секций показала, что потери на трение в направляющих при испытаниях составляют менее 0,5%.

При разрушении одного из образцов в испытатель­ ной секции нагрузку воспринимает и передает на ос­ тавшиеся образцы металлический стакан 18. При испы­ таниях он заполняется компрессорным маслом, кото­ рое, вместе с изоляцией образца, надежно предохра­ няет образец от изменения влажности. Продольная де­ формация образцов измеряется с помощью индикато­ ров часового типа 19.

Давление в системе контролируется с помощью ма­ нометров, установленных на баллонах. При нагруже-

i-пш секций используется переносной манометр, за­ крепляемый в тройнике 20. Нагружение каждой секции производится отдельно, с помощью вентилей. Поршни в гидравлических прессах секций для уменьшения сил трения выполнены со скользящей посадкой, без уп­ лотняющих шайб или манжетов. Утечка масла в гид­ равлической системе с течением времени снижает дав­ ление на входе испытательных секций, однако оно бла­ годаря применению рабочих баллонов с азотом неве­ лико и не превышает 0,5—1,0% за трое суток. При уменьшении давления более чем на 1% в гидравличе­ скую систему от баллона 11 с высоким давлением по­ дается азот, компенсирующий утечку и восстанавлива­ ющий давление до заданной величины. Поддерживает­ ся необходимое давление в системе перед испытанием и подкачивается масло в баллоны 8—10 с помощью на­ сосной системы 21.

Продолжительность испытаний без перезарядки баллонов с компрессорным маслом составляет 4— 6 мес. Сжимающее напряжение в образцах может за­ даваться и поддерживаться постоянным в пределах 8—550 кгс/см2.

Как было отмечено выше, при испытаниях на пол­ зучесть продольные деформации измеряли индикато­ рами часового типа. Для измерения поперечных де­ формаций применяли три основные схемы (рис. 11).

Из ме р е н и е попе ре чных д е ф о р м а ц и й

с п о м о щ ь ю т р е х и н д и к а т о р о в ч а с о в о г о

ца. Базовыми точками являются металлический

индикаторы — высокоточные, с ценой деления 0,002 мм.

Расположение микрометров и базовые точки такие же, как и на рис. 11, а. Контакт ножек микрометров осу­ ществляется с шариками, вмонтированными в шайбы. При контакте замыкается простейшая электросхема «микрометр — шайба — омметр — микрометр». Изме­ рение деформации заключается в плавном выдвижении

ножки микрометра до контакта с шайбой, укрепленной на образце, и в снятии отсчета по микрометру в мо­ мент, соответствующий контакту. После снятия отсче­ тов ножки микрометров отводят от шайб. Точность из-

Рис. 11. Схемы измерения поперечных деформаций об­ разцов пород

ность измерения относительных деформаций при этом составляет 1 - ІО-5.

Наиболее точным является тензометрический ме­ тод измерений, однако при длительных испытаниях на ползучесть весьма сложно обеспечивать стабильность

различной длины. Образцы горной породы 1, 2 я 3 устанавливаются на нижней плите 4 пресса (на ри­ сунке пресс не показан). Образец 5 одним торцом при­ легает к верхней плите 6 пресса и устанавливается в центре прижима 7. Для передачи давления на образ­ цы используются центрирующие шайбы 8 и ша­ рики 9. Деформацию образцов измеряют с помощью индикаторов часового типа (на рисунке не показаны)-

Таким образом, между нижней и верхней плитами пресса расположены четыре образца породы. Обра­ зец 5 воспринимает полностью давление от верхней плиты 6 пресса. Давление на остальные образцы пере­ дается от прижима 7, в центре которого расположен образец 5. Величина нагрузки, передаваемой на каж­ дый из образцов, зависит от выбранного соотношения длин плеч прижима, т. е. от расстояния центра об­ разцов до центра прижима.

Применение устройства позволяет в несколько раз сократить продолжительность испытаний на ползу­ честь при наличии в лаборатории одной нагружающей системы или при наличии нескольких нагружающих систем —освободить их для других испытаний.

§ 9. ИСПЫТАНИЯ ПОРОД НА ОБЪЕМНУЮ ПРОЧНОСТЬ

С учетом опыта изготовления н эксплуатации стабилометров, используемых при испытании на объем­ ную прочность различных материалов, Б. В. Матвее­ вым, Е. В. Шикановым и автором разработан усовер-

Рис. 13. Стабилометр для кратковременных испытаний гор­ ных пород на объемную прочность

шенствованный стабилометр типа БУ-6 для испыта­ ния слабых горных пород при относительно высоких давлениях (рис. 13). В комплект испытательной аппа­ ратуры входят: непосредственно стабилометр, состоя­ щий из крышки /, внутренняя полость которой образу­ ет нагрузочную камеру, основания 2 и поршня 3; мано­ метры 4 и 5 для регистрации осевых и боковых давле­ ний на образец 6; управляющие вентили 7, 8, 9 и 10, укрепленные на патрубках 11 и 12; масляный насос 13 с соединительными трубопроводами. Центрирующая

шаровая опора 14 служит для исключения непарал­ лельности торцов образца. При заполнении камеры компрессорным маслом воздух из внутренней полости камеры удаляется при помощи упорного винта 15. Крышка закрепляется на основании болтами 16.

Режим испытаний заключается в плавном нагру­ жении образца гидростатическим давлением масла (через вентиль 7) до некоторой задаваемой условия­ ми эксперимента величины, после чего боковое давле­ ние поддерживается постоянным, а осевое давление (через вентиль 9 и поршень 3) постепенно увеличива­ ется до разрушения образца. Максимально возможные осевые нагрузки при испытаниях составляют 500 кгс/см2, боковые нагрузки 250 кгс/см2. Для умень­ шения сил трения поршень стабилометра изготовлен •без уплотнительных шайб или манжет со скользящей посадкой.

Осевые и боковые давления при испытании выбира­ ют исходя из приближенной оценки напряженного со­ стояния данной породы в массиве с учетом глубины

.залегания породы, среднего объемного веса вышележа­ щих пород и ожидаемой концентрации напряжения, зависящей от нарушенное™ массива выработки. Мак­ симальное осевое давление

где /?і—коэффициент ожидаемой концентрации нап­ ряжений; /е2— коэффициент перекрытия диапазона напряженного состояния пород массива, равный 1,5— 2,0; у — средний объемный вес вышележащих пород массива, г/см3; Н — глубина залегания породы, м.

Результаты испытания каждого образца одной и той же породы (максимальное щ и минимальное а2 главные напряжения) откладываются в виде круго­ вых диаграмм Мора в осях а—т, и после построения ■огибающей этих кругов определяются ее параметры — сцепление С и угол внутреннего трения ср. Если сцепле­ ние и угол внутреннего трения породы являются функ­ циями напряженного состояния, то при расчетах при­ нимаются во внимание те их значения, которые соот­ ветствуют напряженному состоянию этой породы в массиве.

Для исследования влияния длительности действия

нагрузок на величины сцепления и угла внутреннего трения применялась установка КДП-2 с автоматиче­ ским управлением (68], электрогидравлическая схема которой приведена на рис. 14.

Подготовленный к испытанию образец 1 помещает­ ся в камеру 2 и нагружается гидростатическим давле­ нием компрессорного масла от баллонов 3 со сжатым азотом и маслом до некоторой величины бокового дав-

Рис. 14. Электрогидравлическая схема установки для длн тельных объемных испытаний горных пород

ления, которое остается постоянным в течение всего времени испытания. Затем при помощи баллонов со сжатым азотом 4 и с маслом 5 через регулятор 6 осе­ вое давление на образец устанавливается на 5—10% больше бокового давления, после чего включается блок автоматического управления 7. Если в образце после этого в течение определенного, задаваемого про­ граммой времени не развиваются продольные дефор­ мации, то осевое давление автоматически плавно уве­ личивается на некоторую, также задаваемую програм­ мой величину. При развитии же в образце пластиче­ ских деформаций осевое давление поддерживается до прекращения роста продольных деформаций

ражен на рис. 15. Работа автоматики, таким об­ разом, осуществляет постепенное возрастание осе­ вого давления на образец ступенями, обеспечива­ ющими затухание деформаций его ползучести. Это воз­ растание давления продолжается вплоть до разрушения

/

Рис, 15. Режим длительных объемных испытаний пород:

/ — осевое давление на образец; 2 — боковое давление на образец; 3 — продольная деф ормация образца; 4— деф ор­ м ация тензометра

образца. Ступени возрастания нагрузок регулируются и могут составлять от 0,2 до 10 кгс/см2. После разру­ шения образца автоматика отключается. Величина осевого давления, при котором произошло разруше­ ние образца, фиксируется (см. рис. 14) по контрольной стрелке манометра осевого давления 8; боковое дав­ ление— по манометру 9; время до разрушения—по ос­ тановившимся электросигнальным часам 10.

Тензометр продольных деформаций 11, представ­ ляющий собой две константановые проволочки диа­ метром 0,04 мм, включен в тензометрическую схему блока автоматического управления.

Так как конструкция стабилометра и регулятора

давления в установке выполнена без уплотнений в поршневых элементах для уменьшения трения, то объ­ ем масла в баллонах с течением времени уменьшается из-за утечки масла, Для периодического заполнения маслом баллонов 3 и 5 (через 5—7 циклов испыта­

160 кгс/см2. Максимальное осевое давление на образец составляет 500 кгс/см2. Максимальная возможная вели­ чина продольных деформаций образца составляет око­ ло 20 мм. Продолжительность одного испытания ко­ лебалась от 1 ч до 7 сут. Схема автоматики позволяет задать программу и более длительного режима ис­ пытаний.

При длительном действии нагрузок испытывается несколько (четыре—шесть) образцов одной и той же породы при разном боковом давлении и при одной дли­

длительной объемной прочности, соответствующие оп­ ределенной длительности испытания,— сцепление и угол внутреннего трения.

§ 10. ВИБРАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Схема вибрационной установки, разработанной для испытаний слабых горных пород {68], приведена на рис. 16.

Подготовленный к испытанию образец горной по­ роды 1 помещается в прибор, состоящий из нижнего 2 и верхнего 3 оснований, соединенных тягами 4. Стати­ ческое давление на образец создается с помощью бал­ лонов 5 и 6 со сжатым азотом и компрессорным мас­ лом и регулятора давления 7, позволяющего плавно изменять и поддерживать постоянным давление масла во внутренней полости основания 2 в пределах 0,2— 100 кгс/см2. Давление масла действует на рабочий пор­ шень 8, передающий давление на образец 1.