Материал: Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения

прочности, учитывающие фактор времени и напряженное состояние, которые дают удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными.

5.4. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗНЫХ СКОРОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ И ВИДАХ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Для разработки практических рекомендаций решения разнообразных инженерных задач, получения научных результатов в области динами­ ки горных пород требуется еще накопление фактического материа­ ла и его теоретическое обобщение.

Известно, что стандартные методы изучения поведения пород как при динамическом нагружении, так и объемном напряженном состоя­ нии отсутствуют. Требуют своего развития методы, позволяющие реализовать условия высокоскоростного нагружения и объемного напряженного состояния.

Поэтому ставились задачи разработки методик и комплекса аппа­ ратуры для динамического нагружения образца породы при его трех­ осном, неравномерном сжатии, а также устойчивой регистрации ком ­ понент тензоров напряжений и деформаций и их изменения во вре­ мени.

Изучение поведения пород под воздействием нагрузок с различ­ ными скоростями деформации в условиях объемного напряженного состояния невозможно без применения специального эксперименталь­ ного комплекса, а также обоснованных методик испытаний для полу­ чения характеристик свойств пород, определяющих их сопротивляе­ мость деформированию и разрушению в разнообразных простран­ ственно-временных условиях.

Диапазон исследований выбран с учетом условий, встречающихся в горном деле и включает: виды напряженного состояния в области трехосного неравномерного сжатия типа о1 > о2 = о3 = OQ, варьирова­ ние скоростей нагружения от статического интервала (10-5 -г 10-3 ) с-1 до динамического (высокоскоростного) 103 с-1 , т.е. около 9 деся­ тичных порядков.

Для испытаний при скоростях осевого статического нагружения

ста которого перемещается поршень 13, а по внутренней — упор (тен­ зометрический динамометр) 14, связанный с верхним захватом-што­ ком 5 и раскрепленный винтом 15. На тензометрическом динамомет­ ре 14 размещены опорная сфера 26 и токосъемник 27 для крепления проводов от тензодатчиков, фиксирующие приложенные к испыту­ емому образцу нагрузки.

Нижний захват-пуансон 4 имеет заплечики, которыми он с одной стороны упирается в корпус 3 камеры, с другой — на сферический пуансон 19 и основание 2. Растягивающие усилия воспринимаются заплечиками опорного захвата-пуансона 4. Сжимающие усилия пере­ даются через испытуемый образец 6 и нижний опорный захват-пуан­ сон 4 на сферический пуансон 19 и основание 2. Сферический опор­ ный пуансон 29 компенсирует возможную некоторую неперпендикулярность торца захвата-пуансона 4 при установке его в корпусе ка­ меры.

Верхний захват-шток 5 имеет стержень с резьбой, который связан с упором 14, являющимся одновременно и тензометрическим дина­ мометром.

Осевое усилие сжатая передается на испытуемый образец от испы­ тательной машины через опорную сферу 16, упор 14 и верхний захватшток 5, а осевое усилие растяжения — давлением жидкости на пор­ шень 13, упор 14 и верхний захват-шток 5, плотно соединенные резь­ бой.

Во избежание поломки образца горной породы при навинчивании упора 14 на стержень верхнего захвата-штока 5 в корпусе 3 камеры жестко вмонтирована втулка с зубцами 20, которые при установке в камеру образца 6 горной породы с захватами плотно входят в пазы головки верхнего захвата-штока 5. Благодаря этому устраняется воз­ можность скручивания испытуемого образца.

При подготовке образцов к испытаниям на их боковы е поверх­ ности наклеиваются проволочные датчики сопротивления на участке между захватами для измерения продольных и поперечных деформа­ ций. Проводка от тензодатчиков заводится с образцом до установки нижнего захвата-пуансона 4 в корпус 3 камеры и протягивается в окно токоввода 9.

После установки образца 6 в корпус 3 камеры концы проводов от тензодатчиков подпаиваются к электродам токоввода 9, затем токоввод 9 устанавлив ются в соответствующее отверстие корпуса 3 камеры, закрепляется крышкой 8 и болтами 7. Таким образом, внешняя проводка, идущая к контрольной, измерительной и показы­ вающей аппаратуре, может не отсоединяться от электродов токо­ ввода.

После приготовления образцов горных пород по требуемым ли­ нейным размерам и чистоте обработки на них устанавливаются (при­ клеиваются) тензодатчики сопротивления для измерения продольных и поперечных деформаций, на концах образцов закрепляются метал­ лические захваты. Эта операция производится в специальном устрой­ стве-кондукторе, в котором эпоксидной смолой прикрепляют верх-

ний и нижний захваты к образцу диаметром 42 мм, высотой 145 мм при рабочей базе 65 мм.

Дальнейшая подготовка к испытанию каждого образца состоит в установке его в испытательной камере высокого давления и в под­ ключении каждого тензодатчика к соответствующему тензометриче­ скому прибору.

Методикой также предусматривается испытание на сжатие в усло­ виях объемного напряженного состояния незащемленных (свобод­ ных) образцов диаметром 42 мм, высотой 65—84 мм. В этом случае нижний захват 4 и верхний 5 имеют плоские основания.

Подготовленные таким образом образцы устанавливаются в каме­ ре высокого давления. При этом проводка от датчиков заводится ранее в канал токоввода при снятой крышке 8 и вынутом токовводе 9. На стержень верхнего захвата 5 навинчивается упор 14 и закреп­ ляется основание 1 камеры болтами 2. Проводка от датчиков подпаи­ вается к вводам коллектора токоввода 9, и токоввод 9 устанавлива­ ется в соответствующее отверстие корпуса камеры, поджимается крышкой 8 и крепится болтами 7.

Камера с монтажного стола снимается подъемником, устанавлива­ ется и закрепляется на траверсе испытательной машины. Затем каме­ ра подсоединяется к насосу высокого давления и в нее подается тре­ буемое давление, соответствующее всестороннему боковому давле­ нию на образец горной породы в пределах (Н 150 МПа.

При одном из данных боковых давлений и принятых ориентиро­ вочных скоростях нагружения à, равных 0,001; 0,0 1; 0,1 ; 1 ; 10 ; 100 и 1000 МПа с-1, испытывают не менее трех образцов каждой разно­ видности горных пород с измерением их продольных и поперечных деформаций с помощью проволочных датчиков сопротивления через усилитель ТА-5 с записью на ленту шлейфового осциллографа Н-700, при одновременном измерении приложенного осевого усилия к образцу через тензометрический динамометр, предварительно протарированный по усилию и деформации.

Расчет из осциллограмм относительных продольных и поперечных деформаций образца производится по формуле

2 ек А {

где еизм — величина измеренной относительной деформации; ек — предел измерения усилителя, отн. ед.; 5Д — чувствительность датчи­ ков сопротивления; А г- — амплитуда записи измеряемого процесса, 10“3 м; А к — амплитуда записи контрольного сигнала, КГ3 м.

Истинная деформация образца в условиях объемного напряжен­ ного состояния принимается с учетом поправки ед/е = еизм — ед, где ед — деформация проволоки датчика под действием бокового давле­ ния об (в МПа), определена из специальных опытов как ед ~ 1 ,75х х 10-6 об [25].

Для динамических испытаний в условиях объемного напряженно­

го состояния применена методика составного стержня, обоснованная в исследованиях [20, 2 1 ], а также аппаратура, разработанная и соз­ данная в ИГД им. А.А. Скочинского.

Аппаратура включает камеру высокого давления для испытания цилиндрического образца крепкой горной породы в условиях объем­ ного напряженного состояния при осевом динамическом нагружении его торца через входной динамометр-волновод действием удара пули, разгоняемой энергией сжатого газа.