Способ испытания образцов горных пород

(2 1) 407 (22) 28. (46) 15. (71) Инс (72) Г,Д (53) 620 (56) Док ние пред угольных с.87,(54) СПОСОБ ИСПЫТАНПОРОД РАЗЦОВ ГОР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ 0012/22-0305.8611.87, Бюл. В 42титут горного дела АН КазССРЛезин и А.А. Козлов .173.2(088.8)укин А.В. и др. Моделироваельно-напряженного состояния пластов. М.; Наука, 1981,(57) Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения физико-механических свойств образцов горных пород. Цель изобретения - повышение точности, достоверности за счет приближения условий испытания к натурным, и расширение функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования. Для этого вырезают образец горной породы кубической формы из массива так, что его грани совпадают соответственно с направлениями вдоль протяженной горизонтальной выработки (ось У), поперек выработки (ось Х) и вдоль вертикали (ось 2). На все время испытанийобеспечивают отсутствие деформации по оси У образца. Проводят предварительное нагружение образца, обеспечивающее переход его к состоянию нетронутого массива. Затем осуществляют при отсутствии деформаций по осям Х и У образца нагружение по оси 2 до достижения напряжения по оси Х заданной величины. Поддерживают напряжение по оси Х постоянным. Напряжение по оси 2.постепенно ф увеличивают до запредельной области деформирования. В качестве антифрикционного покрытия образца используют С, битум. Зазоры между гранями образца и контактными поверхностями плит за- Е полняют твердеющим составом, близким м по прочности к испйтуемому образцу.13520Изобретение относится к горномуделу, в частности к методам определения физико-механических свойств образцов горных пород.5Цель изобретенияповышение точности и достоверности за счет приближения условий испытания к натурными расширение функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования,обеспечение испытания образцов, выбранных из массива около протяженнойгоризонтальной выработки посредствомвертикальной скважины. 15На Фиг.1 показан режим нагружения) образца, выбранного из боковогообнажения массива (1-8, 2-136); на Фиг.2 - деформацииобразца 20во времени , 1 - 2 - ; на фиг.3 зависимость напряжений 6 от деформаций(1 Ь 2-Г 1 ), 2 -=Е 1 к),на Фиг.4 - зависимость коэффициентаПуассонаот деформаций (1- р =Г 25( ), 2 в ,и ; на Фиг.5 - зависимость секущих модулей Е от деформаций (1-Е =Г( ) 2 - Е= й ; нафиг.6 - режим нагружения (зависимостьнапряжения б от времени Г) образца, . 3 Овыбранного из массива посредством.вертикальной скважины (1-6, 2 -6,х)Осуществление способа испытанияобразцов горной породы иллюстрируетсяследующим примером.Образец угля выбирают из боковогообнажения протяженной горизонтальнойвыработки на глубине 360 м. Образцупридают кубическую Форму (50 х 50 х40х 50 мм), так, что его грани совпада. ют, соответственно, с направлениямивдоль выработки (ось У образца), поперек выработки (ось Х образца) ивдоль вертикали (ось Е образца).Отделение куска угля от стенки выработки производят в два этапа. Сначала намеченный объем угля подрубаютсверху и снизу, чтобы произошло окончательное освобождение угля от вертикальной нагрузки, затем производят подработку по бокам, а также отделение куска от массива,.Образец кубической Формы размещают между плитами нагружающего устройства, покрытыми тонким споем битума,снижающего трение образца о плиты.Зазоры (около 1 мм) между контактными поверхностями плит и гранями об 56 2разца заполняют цементно-песчаным раствором, прочность которого через 24 ч достигает величины 15 МПа, что соответствует прочности образца угля при одноосном сжатии. Перед началом нагружения обеспечивают (путем Фикса ции соответствующих плит) на время всего испытания отсутствие деформаций по оси У образца. Затем проводят предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива. Для этого в соответствии с указанной выборкой образца из бокового обнажения массива вначале нагружают образец по оси Х до величины 0,2-0,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборки образца. Образец нагружают до величины 2,7 МПа, что составляет 0,25 фН, при Н = 360 м и = 1,42 г/см(объемная масса угля), При этом деформация по оси Х составляет Г = 0 002. После этогок ф(в момент времени , Фиг.1) напряжение по оси Х образца поддерживаютпостоянным и одновременно начинают нагружение по оси Е образца до величины, при которой достигается равенство напряжений по осям Х и У образца. При 6= Ь = 2,7 МПа (время ), Ь достигает значения 17,0 МПа, деФормация= 0,0058, При достижении равенства йапряжений по осям Х и У обеспечивают (путем фиксации плит) отсутствие деформаций по оси Х образ ца и снимают полностью нагрузку по оси Е (время С), Остаточные деформации при этом составляют=0,0015 и=0,002 мм. На этом заканчивают предварительное нагружение.После этого измерители деформаций по двум осям Х и Е устанавливают в нулевые положения и начинают новый этап нагружения по оси образца додостижения горизонтальными напряжениямии 4 заданной в данном опыте величины. В данномслучае планируют провести опыт при 6= сопзЕ= = 2,7 МПа. В момент времени , когда горизонтальные напряжения достигают этой величины, запрет деформаций по оси Х снимают, а величину напряжения Ьк поддерживают далее постоянной. После этого процесс испытания образца происходил при следующих динамических и кинематических условиях; активное нагружение по оси Е, пассивные напряжения по осям Х и У, при этом 6=(5) з 135 = солями, а= О. Такие условйя испытания в совокупности с проведенным перед этим переходом образца к состоянию нетронутого массива в должной степени выполняют динамические и кинематические условия подобия лабораторных испытаний натуре. При дальнейшем нагружении после момента с напряжения 6 остаются постоянными, если нагружение по оси 2 производят достаточно медленно, а напряжения 4 по оси У возрастают как функции 4 и 6 . Начиная с моментаизмеряют деформации, а си деформацииДо моментав образце происхохдят нелинейные упругие и упруго-пластические деформации, После потери образцом прочности в момент с начинают преобладать линейные и нелинейные вязко-упругие и вязко-пластические деформации. По окончании испытаний определяют Физико-механические параметры образца и оценивают прочность.1 Для данных конкретных условий испытания образца уравнения обобщенного закона Гука имеют вид 1 х Е ГР ( )- Ьх 1; (2)По. уравнению (3) определяют значения коэффициента Пуассона и строят в зависимости его от деформацийи , (фиг.4), которые в первом приблйжений .можно выразить как Используя полученные из уравнения (3) значения р, а также зафиксированные значенияи Е , по уравне-. ниям (1) и (2) находят обычные модули упругости поперек Е,и вдоль Е и напластований, а также секущие модули Е и Ех. Ер= 1,8510 - 28,75 10 ; (6) Е.= О 7 1 О 4 - 7 5 1 О 4 (7) По полученным значениям секущихмодулей строят их зависимости от деформацийи(фиг,5).5Подставив уравнения (4)-(7) вуравнения (1) и (2), можно получитьновые уравнения для расчета величиндеформацийи.на всех тех стадиях, для которых закономерности 10 (4)-(7) являются действительными.Используя известные в теориях упругости и пластичности зависимости,по полученным экспериментальным данным можно рассчитать объемный модуль 15 К, модуль сдвига С, октаэдрическиенормальные и касательные напряженияи деформации, интенсивность напряжений и деформаций, параметр вида напряженного состояния Надаи-Лоде, а 20 также параметр вязкости - коэффициентпоперечной деформацийи параметр1пластичности СИмея данные испытаний образцовпри различных значениях , можно 25 построить огибающую предельных круговМора. Такой паспорт прочности с боль-,шой достоверностью и точностью отражает прочность массива вследствиеблизости условий испытаний к натурВ случае испытания образцов, выбранных из массива посредством вертикальной скважины, предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоянию нетронутого массива, проводят (учитывая, что при выбуривании из массива образец первоначально полностью разгружается от напряжений по оси 2., упруго восстанавливаясь в этом направлении, а по горизонтальным осям не расширяется)путем обеспечения ртсутствия деформаций по оси Х и затем нагружают образец по оси 2 до величины, при кото- , 45 рой напряжения по осям Х и У достигают величины (0,2-0,25)-Н и полностью снимают нагрузку по оси 2 образца. На этом заканчивается предварительное нагружение и в дальнейшемиспытания проводятся аналогично описанному испытанию образца из боковогообнажения массива.Изобретение позволяет повыситьточность и достоверность получаемыхэкспериментальных данных за счет соблюдения условий динамического и кинематического подобия при предварительном и основном нагружениях образца;расширить функциональные возможности5 13520 способа, распространив его на пластические и запредельные стадии деформации за счет принятой схемы испытания когда Р = 0 благодаря чему воэЭ уу У 5 никает возможность более длительное время исключить выдавливание испытываемой породы за пределы объема, образуемого плитами нагружающего устройства. 10 Формула из обретения 566оси Х образца и поддерживают напряжение по этой оси постоянным а напряжение по оси Е образца постепенно увеличивают до запредельной области деформирования, при этом в качестве антифрикционного покрытия используют битум, а зазоры между гранями образца и контактными поверхностями плит заполняют твердеющим составом, близким по прочности к испытуемому образцу1. Способ испытания образцов горных пород, включающий размещениеобразца кубической формы между имеющими антифрикционное покрытие плитами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным направлениям, создание за- . данного напряженного состояния, изме О . рение напряжений и деформаций образца и оценку прочности на основании измеренных величин, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности и достоверности за счет прибли жения условий испытания к натурным и расширения функциональных возможностей в область пластической и запредельной стадий деформирования, образец горной породы вырезают иэ масси-; З 0 ва так, что его грани совпадают соответственно с направлениями вдоль протяженной горизонтальной выработки (ось У образца), поперек выработки (ось Х образца) и вдоль вертикали (ось Е образца), затем обеспечивают35 на все время испытания отсутствие деформаций по оси У образца и проводят предварительное нагружение, обеспечивающее переход образца к состоя нию нетронутого массива, после чего осуществляют, при отсутствии деформаций по осям Х и У образца, нагружение по оси Е до достижения напряжения по оси Х заданной величины, сни45 мают ограничение с деформаций по 2, Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью обеспечения испытания образцов, выбранныхиз бокового обнажения массива в горизонтальной горной выработке, предварительное нагружение проводят пооси Х образца до величины 0,2-0,25от величины вертикального напряженияв массиве на глубине выборки образца,поддерживают это напряжение постоянным и осуществляют постепенно увеличивающееся нагружение по оси Е образца до достижения равенства напряжений по осям Х и У образца, после чего обеспечивают отсутствие деформаций по оси Х образца и полностью снимают нагрузку по оси Е образца.3. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью обеспечения испытаний образцов, выбранныхиз массива около протяженной горизонтальной выработки посредством верти-,кальной скважины, предварительноенагружение проводят путем обеспеченияотсутствия деформаций по оси Х образца, затем осуществляют постепенноувеличивающееся нагружение.по осиЕ образца до достижения напряжениямипо осям Х и У образца величины 0,20,25 от величины вертикального напряжения в массиве на глубине выборкиобразца и полностью снимают нагрузкупо оси Е образца, 13520561352056 Фг-аю)Т Составитель В. ТальвойшРедактор Т. Парфенова Техред М,Ходанич Корректор С.Шекмар Заказ 5546/27 ВНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Иосква, Ж453митета СС Т писно ного енин и35, Рауш ткрыти кая наб.,оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,