Методика и аппаратура для испытаний горных пород при различных скоростях нагружения и видах напряженного состояния

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

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

Поэтому ставились задачи разработки методик и комплекса аппаратуры для динамического нагружения образца породы при его трехосном, неравномерном сжатии, а также устойчивой регистрации компонент тензоров напряжений и деформаций и их изменения во времени.

Изучение поведения пород под воздействием нагрузок с различными скоростями деформации в условиях объемного напряженного состояния невозможно без применения специального экспериментального комплекса, а также обоснованных методик испытаний для получения характеристик свойств пород, определяющих их сопротивляемость деформированию и разрушению в разнообразных пространственно-временных условиях.

Диапазон исследований выбран с учетом условий, встречающихся в горном деле и включает: виды напряженного состояния в области трехосного неравномерного сжатия типа о1 > о2о = о3 = об, варьирование скоростей нагружения от статического интервала (10в-5/10в-3) с-1 до динамического (высокоскоростного) 10в3 с-1, т.е. около 9 десятичных порядков.

Для испытаний при скоростях осевого статического нагружения использована разработанная ранее установка к испытательной машине типа ЦДМ-100Пу,

Камера высокого давления установки (рис. 5.1) состоит из основания 1, соединенного болтами 2 с корпусом 3, внутри которого помещены нижний захват-пуансон 4 и верхний захват-шток 5, жестко соединенные с образцом горной породы 6 эпоксидной смолой. На внешней поверхности корпуса 3 камеры укреплен болтами 7 через крышку 8 токоввод 9 для подсоединения проводов от тензодатчиков, наклеенных на испытуемом образце 6, и клапан 18 для слива жидкости при раэборе камеры.

В верхней части камеры установлены воздушные клапаны 10, 11 для выпуска воздуха из масляных полостей низкого и высокого давлений и помешен промежуточный цилиндр 12. по внешней поверхности которого перемещается поршень 13, а по внутренней — упор (тензометрический динамометр) 14, связанный с верхним захватом-штоком 5 и раскрепленный винтом 15. На тензометрическом динамометре 14 размещены опорная сфера 16 и токосъемник 17 для крепления проводов от тензодатчиков, фиксирующие приложенные к испытуемому 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 1. Растягивающие усилия воспринимаются заплечиками опорного захвата-пуансона 4. Сжимающие усилия передаются через испытуемый образец 6 и нижний опорный захват-пуансон 4 на сферический пуансон 19 и основание 1. Сферический опорный пуансон 19 компенсирует возможную некоторую неперпендикулярность торца захвата-пуансона 4 при установке его в корпусе камеры.

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

Осевое усилие сжатия передается на испытуемый образец от испытательной машины через опорную сферу 16, упор 14 и верхний захват-шток 5, а осевое усилие растяжения — давлением жидкости на поршень 13, упор 14 и верхний захват-шток 5, плотно соединенные резьбой.

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 возможность скручивания испытуемого образца.

При подготовке образцов к испытаниям на их боковые поверхности наклеиваются проволочные датчики сопротивления на участке между захватами для измерения продольных и поперечных деформаций. 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 устанавливается в соответствующее отверстие корпуса 3 камеры, закрепляется крышкой 8 и болтами 7. Таким образом, внешняя проводка, идущая к контрольной, измерительной и показывающей аппаратуре, может не отсоединяться от электродов токоввода.

После приготовления образцов горных пород по требуемым линейным размерам и чистоте обработки на них устанавливаются (приклеиваются) тензодатчики сопротивления для измерения продольных и поперечных деформаций, на концах образцов закрепляются металлические захваты. Эта операция производится в специальном устройстве-кондукторе, в котором эпоксидной смолой прикрепляют верхний 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 подключении каждого тензодатчика к соответствующему тензометрическому прибору.

Методикой также предусматривается испытание на сжатие в условиях объемного напряженного состояния незащемленных (свободных) 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 камере 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 закрепляется основание 1 камеры болтами 2 Проводка от датчиков подпаивается к вводам коллектора токоввода 9, и токоввод 9 устанавливается в соответствующее отверстие корпуса камеры, поджимается крышкой 8 и крепится болтами 7.

Камера с монтажного стола снимается подъемником, устанавливается и закрепляется на траверсе испытательной машины. Затем камера подсоединяется к насосу высокого давления и в нее подается требуемое давление, соответствующее всестороннему боковому давлению на образец горной породы в пределах 0/150 МПа.

При одном из данных боковых давлений и принятых ориентировочных скоростях нагружения с, равных 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10; 100 и 1000 МПа с-1, испытывают не менее трех образцов каждой разновидности 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

где еизм — величина измеренной относительной деформации; ек — предел измерения усилителя, отн. ед.; Sд — чувствительность датчиков сопротивления; Ai — амплитуда записи измеряемого процесса, 10в-3 м; Ак — амплитуда записи контрольного сигнала, 10в-3 м.

Истинная деформация образца в условиях объемного напряженного состояния принимается с учетом поправки ед/е = еизм—ед, где ед — деформация проволоки датчика под действием бокового давления об (в МПа), определена из специальных опытов как ед = 1,75*10в-6 об.

Для динамических испытаний в условиях объемного напряженного состояния применена методика составного стержня, обоснованная в исследованиях, а также аппаратура, разработанная и созданная в ИГД им. А.А. Скочинского.

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

Цилиндрический образец горной породы, предназначенный для испытаний на сжатие, предварительно жестко соединяется торцевыми поверхностями со смежными захватами — передним и задним волноводами — эпоксидной смолой типа ЭД-6. Операция производится в специальном приспособлении — кондукторе, обеспечивающем соосность системы образец—волноводы.

В целях соблюдения идентичности условий на торцах при статических и динамических испытаниях образцов горных пород на одноосное сжатие и сжатие в объемном напряженном состоянии принято одинаковое крепление торцов. При этом сделано допущение, что волновая картина в свободной (расчетной) части образца не искажается.

Производится подготовка камеры высокого давления для проведения испытаний; внутрь камеры устанавливается образец с наклеенными на нем датчиками сопротивления, выводятся провода от датчиков испытуемого образца, переднего и заднего волноводов и подсоединяются к измерительной аппаратуре. Tоковводы закрепляются на корпусе камеры, камера запирается крышкой и подтягивается гайками. Камера заполняется маслом требуемого давления от масло-станции высокого давления, одновременно производится спуск воздуха посредством воздухо-спускных клапанов.

В зависимости от типа образца горной породы (его прочности) выбирается давление газа, вес и конструкция пули, производится сборка пулевой и газовой камер, установка сменных упоров с обтюраторами, и гайкой запирается ствол. Подсоединяется камера высокого давления, вся измерительная система приводится в готовность, затем открывается быстродействующий клапан газовой установки и происходит удар пули по переднему входящему волноводу.

Камера высокого давления (рис. 5.2) предназначена для проведения испытаний образцов крепких горных пород при объемном статическом напряженном состоянии и осевом динамическом нагружении на сжатие.

В корпусе 1 устанавливается образец горной породы 2 с передним захватом — волноводом 3 и задним 4, предварительно сцентрированные по оси с образцом и скрепленные между собой эпоксидной смолой в специальном устройстве. Образец 2 с захватами-волноводами вставляется в расточку корпуса 1 камеры, где центрируются по диаметру переднего захвата 3. Провода от тензодатчиков при сборке заводятся предварительно через боковое отверстие камеры (на рис. 5.2 не показано), подпаиваются к контактам токоввода с внешней стороны и токоввод крепится к корпусу камеры. Провода, идущие к контрольно-измерительной аппаратуре, также подпаиваются к контактам токоввода с внешней стороны.

Далее заводится в камеру сборка, состоящая из деталей: сферической шайбы 5, цангового держателя 6, заднего волновода 7 с наклеенными на нем датчиками, опорной втулки 8 со специальными комбинированными уплотнениями. Втулка 8 имеет токоввод для подпайки проводов от датчиков, расположенных на волноводе 7.

Образец 2 с передним волноводом 3 и сборкой 5, 6, 7, 8 плотно поджимается гайкой 9 с целью выбора зазоров. Резьба гайки 9 одновременно предохраняет от разрушения образец 2 при установке крышки 10 и затяжке ее болтами.

На переднем захвате — волноводе 3 образца 2, обращенном к стволу газовой установки, также установлен тензодатчик. Провода от этого датчика выводятся через фрезеровку в корпусе 1 камеры и Далее защищаются кембриковой трубкой I! от действия газов. Утолщенная шлицеобразная часть переднего захвата-волновода 3, обращенная к газовой установке, вместе с конической втулкой 12 образуют гидротормоз в момент разрушения образца, благодаря наличию между ними масла. Для разгрузки камеры, гашения энергии и исключения повышения давления масла в момент разрушения образца на корпусе 1 установлена уширительная камера 13.

Камера устанавливается на катках 15, оси которых связаны с двумя амортизаторами 16 с резиновыми вкладышами. Амортизаторы 16 закреплены ка металлическом стволе 17, на которой катками опирается камера высокого давления и газовая установка.

Направляющий фланец 13 связывает ствол газовой установки с камерой высокого давления и центрирует ось ствола установки с осью образца. Между стволом и камерой установлена вставка — обтюратор 19 с окнами для выхода газов. Эта вставка служит для центровки пули до момента удара в торце переднего волновода. Кроме того, она устраняет опережение пули газами в момент удара ее по волноводу. Газы, уходящие через окна обтюратора 19, попадают в кольцевое пространство между направляющим фланцем 18 и обтюратором 19 и выходят через окна направляющего фланца в атмосферу.