Некоторые методы определения свойств горных пород с использованием динамического нагружения через пуансон

В настоящее время наиболее распространены:

- метод определения динамической твердости по упругому отскоку на приборе Шора;

- метод определения твердости, основанный на измерении энергии, требующейся на внедрение пуансона определенной длины (ударник ДорНИИ);

- метод определения динамических характеристик пород на приборах типа ДП-7(8) и ПДС-4(5).

Сущность метода с использованием прибора Шора и аналогичных ему приборов (Тархова и др.) состоит в том, что на гладко обработанную поверхность испытываемого образца горной породы сбрасывается с определенной высоты боек со сферическим алмазным наконечником и по средней высоте отскока бойка от поверхности породы определяют твердость породы. Сбрасывание бойка производят каждый раз в различные точки образца. Отношение высоты отскока к высоте сбрасывания называется коэффициентом отскока, который характеризует упругие свойства. Образцы горной породы должны иметь две плоско параллельные шлифованные плоскости. Толщина образца должна быть не менее 40—50 мм. На этом же приборе определяется и контактная динамическая пластичность горных пород, которая основана на изменении эффекта контактного упрочнения при повторных микроударах в одну и ту же точку образца.

Сущность метода, основанного на измерении энергии для внедрения пуансона на приборах типа ударника ДорНИИ заключается в том, что в породу вбивается пуансон определенной длины, при этом энергия одного удара остается постоянной. За показатели энергоемкости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения пуансона. Длина пуансона в ударнике ДорНИИ 100 мм, диаметр 11 мм.

Параметры удара на приборе ДорНИИ могут изменяться в зависимости от твердости породы. Для грунтов принимают массу груза 2,5 кг и высоту 40 см. Известны и другие параметры груза, при которых энергия удара выше.

Метод определения динамических контактных характеристик на приборах ДП-8 и ПДС-4(5) основан на динамическом внедрении плоского штампа в слабо обработанную (после распиловки алмазным диском) поверхность образца горной породы- При этом высота сбрасывания груза со штампом переменная и сбрасывание производится каждый раз в разные точки образца. В принципе методика работ на этих приборах одна и та же, но метод регистрации параметров удара (глубины внедрения штампа, высоты отскока и др.) различный. В приборе ДП-7(8) внедрение фиксируется индикатором часового типа, а отскок с помощью мерной шкалы. В приборе ПДС-4 все параметры удара фиксируются на экране электронной трубки. При этом записывается сразу график сила — внедрение.

Разработанный в ИГД им. А.А. Скочинского прибор ДП-8 предназначен для испытания пород в образцах, в условиях приближающихся к натурным.

С помощью этого прибора определяются: динамическая твердость, критическая скорость при первом выколе, динамическая жесткость, а также некоторые другие прочностные контактные характеристики хрупких горных пород.

Прибор построен по принципу механического акселерометра, позволяющего определять характеристики пород на образцах горных пород.

Прибор ДП-8 (рис. 7.1) состоит из трубы 1, пустотелого груза 2 с толкателями 3 и 4. Внутри пустотелого груза размещены подвижный груз 5 и пружина 6. На нижнем конце пустотелого груза расположен индентор 7, а верхний конец закрыт крышкой 8, которая имеет выем для зацепления собачкой 9, устанавливающейся на различной высоте с помощью винта 10, Труба 1 укреплена на вертикальной стойке 11 с помощью стержня 12.

Образец горной породы 13 устанавливается на плите 14 и зажимается винтом 15. Пустотелый груз 2 вместе с подвижным грузом 5 и пружиной 6, индентором 7 и толкателем 3, поднимается вверх на заданную высоту, а затем сбрасывается на образец горной породы.

При соприкосновении индентора с горной породой пустотелый груз останавливается, а находящийся внутри его подвижный груз по инерции продолжает двигаться вниз и тем самым сжимает пружину 6. Одновременно с этим толкатель подвижного груза 3 перемещает указатели перемещений 16 и 17, которые фиксируют величину перемещения груза 5, при этом указатель перемещения 17, расположенный на пустотелом грузе, фиксирует величину перемещения подвижного груза с учетом отскока индентора (а, следовательно, и пустотелого груза) от породы, а указатель перемещения 16, расположенный на трубе, фиксирует величину перемещения подвижного груза без учета отскока.

В момент удара пустотелого груза о породу, индентор будет внедряться в породу и толкатель 4 будет перемещать указатель перемещения 18, который связан с индикатором часового типа 19, последний зафиксирует глубину внедрения индентора.

Таким образом, при ударе индентора о породу мы получаем на приборе величину сжатия пружины, которая зависит от свойств породы (от ее сопротивляемости внедрению индентора), а также величину деформации породы под индентором.

После установки прибора и внешнего его осмотра проводят подготовку к работе в следующем порядке.

Вначале устанавливается испытываемый образец горной породы на плиту и закрепляется винтом; затем нужно опустить подвижный груз на образец и убедиться в том, что индентор контактирует с образцом по всей поверхности.

После этого необходимо поставить на нули все показатели перемещений путем вращения опорной втулки 20 и шкалы индикатора часового типа, а также установить ограничитель высоты 21 па нужную отметку.

После проверки и подготовки прибора к работе приступают к определению свойств горной породы. Груз с индентором сбрасывают на горную породу с постоянно увеличивающейся высоты с интервалом 2—3 см, при этом высота сбрасывания увеличивается до тех пор, пока не произойдет первый выкал породы (при выколе величина перемещения подвижного груза стабилизируется, хотя высота сбрасывания увеличивается). При каждой высоте сбрасывания производится несколько замеров в различных точках поверхности горной породы. Затем определяются средние показания прибора при каждой высоте сбрасывания. При каждом ударе (сбрасывании) регистрируется величина перемещения подвижного груза указателями перемещений 16 и 17, а также глубина внедрения индентора в породу посредством индикатора 19.

Для замера глубины разрушения породы индентором (без упругих деформаций) необходимо отвернуть зажимной винт и подвести указатель перемещений 18 до толкателя 4.

Получив средние значения показателей при различных высотах сбрасывания производят построение нагрузочных характеристик испытываемой породы. Для этого по оси ординат откладывают силу при ударе индентора по породе, а по оси абсцисс величину внедрения индентора в горную породу (рис. 7.2).

Кроме того строится второй график (рис. 7.3), на оси ординат которого откладываются величины перемещения подвижного груза с учетом и без учета отскока, а на оси абсцисс высота сбрасывания (или скорости в момент удара). Последний график необходим для определения момента первого выкола. При первом выколе перемещение подвижного груза становится постоянным, а показания перемещений (указателями 16 и 17) становятся приблизительно одинаковыми.

Средняя сила при выколе определяется по формуле

где т — масса падающего груза, H*с2/м; v — скорость в момент удара индентора о породу, м/с; l — глубина внедрения индентора в породу, м.

Кроме этого можно определить объемную и контактную работы разрушения и другие показатели.

Необходимое число измерений

где kвар — коэффициент вариации, %; kдоп — допустимая ошибка, %; t — нормированное отклонение.

Величина t принимается в зависимости от заданной степени надежности.

Определение нагрузочных характеристик горных пород производится на образцах в виде блоков кубообразной или цилиндрической формы с двумя параллельными гранями.

Непараллельность граней не должна превышать 5—7°, размеры образца не менее 120х120х120 мм для кубообразной формы и для цилиндрической формы диаметром цилиндра не менее 75 мм и высота не менее 150 мм.

Поверхность образца, в которую производится внедрение индентора подвергается незначительной обработке (достаточно обработать алмазным диском).

Перед испытанием на обработанную поверхность образца, по которой будет ударять индентор, карандашом наносится сетка со стороной квадрата 0,5 — 1 см с тем, чтобы один выкол не контактировал с другим соседним выколом породы. Внедрение индентора производится по углам нанесенных квадратов.

На приборе ПДС-5, разработанном совместно с В.П. Архиповым, график сила—деформация записывается при ударе на экране электронного осциллографа, у которого трубка с послесвечением. Принципиальная схема нагружения отличается от предыдущей тем, что удар по породе наносится через промежуточный элемент, в котором вмонтирован пуансон (рис. 7.4). Блок-схема прибора показана на рис. 7.5.

Запись деформации породы под штампом производится с помощью емкостного датчика 3, а напряжение во время удара записывается тензодатчиком 4, наклеенным на конце пуансона.

Емкостный датчик (рис. 7.6) представляет собой конденсатор, который служит элементом колебательного контура. Одна из пластин датчика жестко соединена с пуансоном, а вторая соединена неподвижно с базой копра. Емкость такого конденсатора изменяется путем изменения расстояния между пластинами. Расстояние между пластинами изменяется вследствие внедрения пуансона в породу, что влечет за собой отклонение луча катодного осциллографа. Имея тарировочный график можно определить величину внедрения пуансона в породу.

Такой емкостный датчик работает надежно при глубине внедрения 1 — 1,5 мм, для больших величин внедрения (до 10 мм) применялись емкостные датчики, основанные на изменении площади взаимодействия пластин.

Этим прибором по описанной методике испытаны сотни разновидностей горных пород, взятых из основных горнодобывающих бассейнов страны.

Для определения динамической твердости ударник I неоднократно сбрасывается на промежуточный элемент с постоянно увеличивающейся высоты. В промежуточном элементе встроен пуансон, который внедряется в образец горной породы, при этом на экране осциллографа записывается график сила — деформация.

Динамическая твердость определяется из графика путем деления нагрузки, полученной при первом выколе породы, ка площадь штампа по формуле

где Pд — динамическая твердость, Па; Piд — динамическая твердость для отдельного измерения, Па; N — число измерений (ударов); S — площадь штампа, м3.

Результаты испытаний горных пород по указанной методике показывают, что показатель динамической твердости значительно выше твердости по штампу. Коэффициент вариации при определении динамической твердости на приборе ПДС-5 не превышал 10—15 %.

Анализ полученных графиков (рис. 7.7) показал, что стабилизация силы для различных пород не одинакова. Чем выше прочность породы, тем большая сила требуется для первого выкола, тем выше критическая скорость соударения. В целом нагрузочные характеристики всех исследованных пород можно разделить на три типа (рис. 7.8).

Для первого типа кривых характерен больший угол наклона и незначительная деформация при первом выколе. Эти кривые относятся к наиболее хрупким породам, таким как песчаник, магнетит, гранит.

Для второго типа нагрузочных кривых характерен меньший угол наклона начала кривой к оси абсцисс и более значительная деформация породы. К этим породам относятся алевролиты и некоторые марки углей (антрациты).

Для третьего типа нагрузочных небольшой угол наклона восходящей ветви кривой с плавным переходом ее почти в горизонтальную линию без признаков хрупкого разрушения. Этот тип нагрузочных кривых характерен для таких пород, как аргиллиты, угли марки ГС, мрамор, известняк мраморизованный и др., которые обладают значительной пластичностью.

В ряде случаев кривые могут иметь в конце цикла нагружения загиб в сторону уменьшения деформации, который объясняется восстановлением упругих деформаций породы.

Нагрузочные характеристики, записанные при различных диаметрах штампа (от 1 до 5 мм), показывают, что его влияние на скорость соударения индентора с породой проявляется до 2 мм. При дальнейшем увеличении диаметра критическая скорость остается постоянной.

Известно, что с увеличением скорости соударения ударника с породой увеличивается энергия удара (при неизменной массе ударника). Поэтому, чтобы установить влияние массы ударника на критическую скорость при работе ДП-8 были проведены замеры критической скорости условной силы при первом выколе, определяющейся по величине сжатия пружины подвижным грузом. При этом изменяли массу ударника и скорость соударения. Установлено, что масса ударника (в указанных пределах) существенного влияния на критическую скорость не оказывает (рис. 7.9). При больших изменениях массы должно соблюдаться условие, при котором отношение массы к площади штампа остается постоянным.

Исследованиями многих авторов установлено, что с увеличением прочности критическая скорость деформирования растет (рис. 7.10, приложение 5).

Корреляционная связь имеет вид

Для установления связи скорости перфораторного бурения с динамической твердостью горных пород (табл. 7.1) проведены опытные работы на Соколовском и Сарбайском железорудных карьерах, которыми установлено, что между скоростью бурения vбур и динамической твердостью Pд существует корреляционная связь (приложение 6) вида

Несмотря на то, что коэффициент корреляции сравнительно не высок, динамическая твердость может быть использована для решения практических задач.