способ определения напряжений в массиве горных пород

Формула изобретения

Способ определения напряжений в массиве горных пород, заключающийся в извлечении из массива серии образцов, тестовом механическом нагружении каждого из них, измерении активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает, отличающийся тем, что все образцы извлекают в направлении, совпадающем с направлением действия максимального главного напряжения в массиве, их нагружения осуществляют в режиме трехосного осесимметричного пропорционального сжатия при постоянном, но различном для каждого образца отношении осевого и бокового напряжения, выбирают тот образец серии, для которого крутизна скачкообразного возрастания активности акустической эмиссии максимальна, а величина активности акустической эмиссии до момента этого возрастания минимальна, при этом значения осевого и бокового напряжения, испытанные указанным образцом при тестовом нагружении, принимают за соответствующие главные напряжения в массиве.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения главных напряжений в массиве горных пород в условиях их трехосного осесимметричного нагружения, то есть когда главные осевое напряжение ₁ и боковые напряжения ₂ и ₃ подчиняются соотношению ₁> ₂= ₃.

Известен способ определения нагружений в массиве горных пород, включающий отбор из массива образцов, их механическое нагружение с одновременным определением водонасыщенности, при этом нагрузку, при которой появляется влага из образца, принимают за искомое напряжение в массиве [1].

Недостатком данного способа является то, что он может применяться только для водонасыщенных пород с открытой пористостью и обеспечивает получение интегральных оценок уровня напряжений, не позволяя определять значения составляющих тензора напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения напряжений в массиве горных пород, заключающийся в извлечении из массива серии образцов, тестовом механическом нагружении каждого из них, измерении активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает [2].

В указанном способе-прототипе по величине нагрузки, соответствующей скачкообразному возрастанию активности акустической эмиссии каждого из нагружаемых вдоль оси образцов, извлеченных по различным направлениям, определяют компоненты напряжений по соответствующим направлениям в массиве.

Недостатком известного способа является невозможность определения абсолютных значений главных напряжений, действующих в массиве. Это связано с тем, что при одноосном сжатии образца, ранее находившегося в массиве в условиях сложного напряженного состояния (трехосного нагружения), скачкообразное увеличение активности акустической эмиссии либо вообще не происходит, либо происходит при напряжении, представляющем собой сложную линейную комбинацию главных напряжений ₁, ₂ и ₃, действующих в массиве, которые по отдельности определены быть не могут.

В данной заявке решается задача создания надежного способа определения значений главных напряжений в массиве, горные породы в котором находятся в условиях трехосного осесимметричного нагружения, т.е. когда ₁> ₂= ₃.

Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в извлечении из массива серии образцов, тестовом механическом нагружении каждого из них, измерении активности акустической эмиссии в процессе этого нагружения и величины нагрузки, при которой указанная активность скачкообразно возрастает, все образцы извлекают в направлении, совпадающем с направлением действия максимального главного напряжения в массиве, их нагружение осуществляют в режиме трехосного осесимметричного пропорционального сжатия при постоянном, но различном для каждого образца отношении осевого и бокового напряжений, выбирают тот образец серии, для которого крутизна скачкообразного возрастания активности акустической эмиссии максимальна, а величина активности акустической эмиссии до момента этого возрастания минимальна, при этом значения осевого и бокового напряжений, испытанные указанным образцом при тестовом нагружении, принимают за соответствующие главные напряжения в массиве.

Предлагаемый способ базируется на использовании так называемого акустического эффекта памяти (эффекта Кайзера), который заключается в скачкообразном увеличении активности акустической эмиссии деформируемого образца в момент, когда его нагружение достигает максимального уровня нагрузки предшествующего цикла деформирования. Эффект Кайзера проявляется наиболее четко, когда и в первом (условно в массиве), и во втором (тестовом) циклах осуществляется одноосное нагружение образца. В случае же трехосного осесимметричного нагружения горной породы в массиве (когда ), как показали экспериментальные исследования, акустоэмиссионный эффект памяти четко проявляется, если образец, извлеченный из массива в направлении действия главного максимального напряжения , подвергнут трехосному осесимметричному пропорциональному нагружению ( , ) при условии совпадения или по крайней мере близости отношений в массиве и испытываемом образце .

Способ определения напряжений в массиве горных пород иллюстрируется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 представлена одна из возможных схем устройства для реализации способа, а на фиг.2 - зависимости активности акустической эмиссии от осевого напряжения тестового цикла нагружения для трех образцов, каждый из которых подвергался нагружению по схеме трехосного осесимметричного пропорционального сжатия с постоянной величиной безразмерного отношения .

Схема, представленная на фиг.1, включает исследуемый образец 1 горной породы, помещенный в основной цилиндрический корпус 2, закрытый сверху съемной крышкой 3, в дно которой своим верхним торцом упирается образец 1. Своим нижним торцом образец 1 упирается в датчик 4 осевого давления, показания которого регистрируются измерителем 5 осевого давления. К дну основного корпуса 2 соосно с ним жестко закреплен вспомогательный цилиндрический корпус 6, в полости вдоль оси которого размещен поршень 7, который, проходя через отверстие в нижней части корпуса 2, упирается в датчик 4 осевого давления и через него в образец 1. Нижний торец поршня 7 контактирует в рабочей жидкостью в цилиндрической полости 8 вспомогательного корпуса 6. При этом полость 8 гидравлически связана в управляемым источником 9 осевого давления. Заполненная жидкостью цилиндрическая полость 10 в основном корпусе 2 связана гидравлически с управляемым источником 11 бокового давления. На образце 1 закреплен акустически связанный с ним приемный пьезоэлектрический преобразователь 12, подключенный к акустоэмиссионному измерительному прибору 13, обеспечивающему измерение и регистрацию активности акустической эмиссии.

Способ определения напряжений в массиве горных пород реализуется следующим образом.

Исходя из априорной информации о направлении главного максимального напряжения в массиве из последнего выбуривают серию кернов в направлении, совпадающем с направлением действия напряжения ₁. Из этих кернов изготавливают цилиндрические образцы с отношением высоты h к диаметру d примерно, равным 2,0÷3,0, и параллельными торцевыми поверхностями. Каждый из образцов подвергают трехосному осесиммтричному пропорциональному сжатию по схеме Кармана, то есть при соблюдении между осевым напряжением и боковыми напряжениями соотношений и . Для этого образец 1 через съемную крышку 3 помещают в заполненную жидкостью полость 10 основного корпуса 2 соосно с ним. После закрытия крышки 3 в заполненной рабочей жидкостью полости 8 вспомогательного корпуса 6 создают избыточное давление с помощью управляемого источника 9 осевого давления. Это давление через датчик 4 осевого давления воздействует на образец 1 вдоль его оси, создавая в этом образце напряжение . Величина давления, испытываемого датчиком осевого давления 4, а следовательно, и образцом 1 регистрируется измерителем 5 осевого давления, которое с учетом известной площади торцевой поверхности образца 1 легко пересчитывается в напряжение . Таким образом с помощью управляемого источника 9 осевого давления в образце 1 линейно увеличивают осевое напряжение в пределах от до , где _сж - предел прочности на сжатие исследуемой горной породы.

Одновременно с увеличением осевого давления на образец 1 увеличивают боковое давление на него. Для этого увеличивают давление жидкости в цилиндрической полости 10 с помощью управляемого источника 11 бокового давления, известное значение которого с учетом известной площади цилиндрической поверхности образца 1 легко пересчитывается в напряжение . Увеличение осевого и бокового давлений и соответственно напряжений и осуществляют синхронно и таким образом, чтобы их отношение оставалось постоянным в процессе всего эксперимента, в ходе которого измеряют и регистрируют с помощью акустоэмиссионного измерительного прибора 13 активность акустической эмиссии образца 1, принимаемой пьезоэлектрическим преобразователем 12.

Таким образом, для первого исследуемого образца 1 получают зависимость активности от осевого напряжения для конкретного значения . Далее описанный алгоритм испытаний повторяют для следующего образца серии и т.д., пока не будет получено n (где n число образцов в серии, которое может составлять несколько десятков) зависимостей для n конкретных значений .

На фиг.2 приведены в качестве примера экспериментально полученные зависимости для трех образцов гранита, извлеченных из массива в направлении, совпадающем с направлением действия главного максимального напряжения в массиве. При этом кривая 14 получена при , кривая 15 - при и кривая 16 - при .

Из полученных экспериментально n зависимостей для разных значений выделяют ту, в которой наиболее четко проявляется эффект Кайзера, т.е. крутизна скачкообразного возрастания активности акустической эмиссии максимальна, а величина активности акустической эмиссии до момента указанного возрастания минимальна. Эта кривая получена при конкретном отношении , то есть при конкретных значениях и , которые и принимают за соответствующие напряжения, действующие в массиве. В частности, на фиг.2 - это кривая 15, которая была получена при и . Следовательно, величины главных напряжений, действующих в массиве, составляют и .

Таким образом предложенный способ определения напряжений в массиве горных пород в отличие от способа-прототипа позволяет решить задачу надежного количественного определения значений главных напряжений в массиве, горные породы в котором находятся в условиях трехосного осесимметричного нагружения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №439604, кл. Е21С 39/00, 1974.

2. Патент США №4107981, кл. 73/88 Е, 22.08. 1978.