Методы определения свойств горных пород (стр. 4 из 8)
Обычно параметры ползучести горных пород определяют в два этапа. На первом этапе устанавливают пределы прочности и общий характер деформирования испытываемых образцов. С целью экономии времени испытания на этом этапе ведут в режиме последовательного ступенчатого нагружения серии из 4-5 образцов равными нагрузками, причем ступень нагружения составляет около 20 % от разрушающей нагрузки.
На втором этапе устанавливают характер развития реологических процессов и определяют собственно параметры ползучести образцов пород во всем диапазоне изменения нагрузок, вплоть до разрушающих. На этом этапе каждый образец испытываемой серии нагружают определенной нагрузкой (20; 40; 60 или 80 % разрушающей) и измеряют деформации образца во времени до момента стабилизации процесса ползучести, либо до момента разрушения образца.
Реологические испытания отличаются, прежде всего, своей длительностью и непрерывностью. Обычно их проводят в течение нескольких тысяч часов (нескольких, а иногда и многих месяцев). Это накладывает жесткие требования к надежности и стабильности работы нагружающих устройств и регистрирующей аппаратуры.
Наиболее часто в качестве нагружающих устройств применяют механические и пружинные прессы либо нагружение осуществляют фиксированными грузами (гирями).
6.2.7. Методы испытаний пород в условиях объёмного напряжённого состояния.
Горные породы в массиве, в условиях естественного залегания, находятся в объемном напряженном состоянии. Поэтому для наиболее полного изучения их механических свойств проводят испытания на специальных лабораторных установках. Наиболее известны установки типа Т. Кармана, в которых усилием пресса создают вертикальное давление на образец, а боковое давление по периметру образца создают гидравлическим путем с помощью гидромультипликатора (рис. 6.13, а). Подобные установки, называемые стабилометрами, позволяют создавать в испытываемом образце напряженные состояния, характеризуемые следующим соотношением главных нормальных напряжений:
s1 > s2 = s3 (6.3)
 |
Рис. 6.13. Испытание образцов пород в объемном напряженном состоянии.
а - схема установки типа Т. Кармана; б - конструкция стабилометра КП-3 (ВНИМИ).
1 - корпус; 2 - образец породы; 3 - плунжер осевого сжатия; 4 - плунжер гидромультиплика-тора; 5 - штуцер боковой нагрузки; 6-манометры для определения осевой и боковой нагрузок; 7 - шаровые шарниры; 8 - поршень осевого сжатия; 9 - штуцер осевой нагрузки; 10 - насос; 11 - редукторы.
На рис. 6.13, б приведена схема конструкции одного из стабилометров. Нагрузки на образец осуществляются всесторонним сжатием до заданных пределов и последующим приложением возрастающей осевой сжимающей нагрузки при неизменном значении боковой.
Подвергая образец породы одновременно с механическим нагружением нагреву с помощью специальных устройств, монтируемых в стабилометр, можно определять механические свойства пород при высоких всесторонних давлениях и температурах, моделируя тем самым условия нахождения пород на больших глубинах.
В условиях всестороннего сжатия в горных породах проявляется эффект изменения упругих, пластических и прочностных свойств. В пределах нескольких процентов возрастают значения модуля продольной упругости Е и модуля сдвига G. Несколько возрастает также коэффициент поперечных деформаций v. Значительно возрастают показатели пластических свойств пород. Прочностные свойства растут весьма существенно, причем относительное увеличение пределов прочности на сжатие и на срез больше для менее прочных пород.
6.3. Определение свойств горных пород с учётом
структурных неоднородностей низких порядков.
Испытания пород с учётом низких порядков структурных неоднородностей традиционно относили всегда к испытаниям в натурных условиях массивов горных пород или их ещё иногда называли испытаниями в местах естественного залегания пород (in situ). Однако это не полностью соответствует современным представлениям и методам проведения испытаний и определения характеристик рассматриваемых неоднородностей, поскольку сами понятия “образец” и “массив” теперь утрачивают первоначальный смысл.
Определение свойств пород с учётом структурных неоднородностей низких порядков представляет собой весьма сложную задачу, поскольку обычный путь испытаний представительных объёмов пород здесь становится крайне трудоёмким и зачастую мало реальным. Причём это определяется не только техническими или организационными трудностями постановки экспериментов, но и особенностями проявления свойств массива пород при тех или иных воздействиях. Практически только свойства, подчиняющиеся схеме “независимости - аддитивности” могут быть корректно определены на соответственно выбранных экспериментальных участках. Другие свойства требуют специальных подходов, совмещающих экспериментальные методы с расчётными.
6.3.1. Методы определения плотностных свойств.
Изучение плотностных характеристик - удельного веса g0; объёмного веса g; удельной массы r0; плотности (объёмной массы) r обычно сложностей не вызывает вследствие присущего им свойства “аддитивности - независимости - равноправности”. Все компоненты действуют равноправно и независимо друг от друга, а интегральная характеристика агрегата является средневзвешенным значением из характеристик каждой компоненты, в данном случае структурных блоков и структурных неоднородностей. Исходя из этого, можно определять плотностные характеристики на специальных образцах для каждого из структурных элементов по отдельности, а затем рассчитать интегральную характеристику, но можно также определять плотностные характеристики и интегральным путём в натурных условиях массива пород, т.е. с учётом конкретных видов структурных неоднородностей.
Плотность пород в массиве с достаточной степенью точности (с погрешностью 1-3%) можно определить с помощью гамма-метода, основанного на эффекте различной степени поглощения и рассеяния радиоактивного гамма-излучения в средах с различной плотностью.
С этой целью в изучаемом участке массива пород бурят на расстоянии 20-70 см друг от друга параллельные шпуры или скважины. В одном из шпуров помещают закрытый источник гамма-излучения (обычно радиоактивный изотоп 60Со, 137Cs или 226Ra), имеющий активность 0,5-2,0 мг-экв радия. Работа с источниками такой малой активности вполне безопасна и не требует особых мер защиты. Во втором параллельном шпуре помещают регистрирующий зонд с детектором (счетчиком гамма-квантов). Перемещая зонды с источником и детектором вдоль скважин, фиксируют интенсивность гамма-излучения, прошедшего через толщу горной породы между скважинами, и по тарировочным графикам или номограммам устанавливают плотность пород на исследуемых участках.
6.3.2. Методы определения деформационных свойств.
Поскольку для деформационных и, в частности, упругих характеристик горных пород, в отличие от плотностных, справедлива схема “аддитивности - взаимозависимости - равноправносги”,для этих свойств также приемлем первый (интегральный) путь определения, т.е. определение на соответствующих образцах или представительных участках массива пород. Однако при этом, в отличие от плотностных характеристик, в сферу экспериментов необходимо вовлекать объемы массива, где обеспечивается представительность интересующих порядков структурных неоднородностей.
Деформационные и, в частности, упругие характеристики горных пород в последнее время определяют в большинстве случаев так называемым динамическим методом с применением ультразвуковых методов. Исходными величинами при этом, определяемыми непосредственно из экспериментов, являются скорости продольных и поперечных упругих колебаний.
Скорости упругих волн в массиве могут быть измерены различными способами, из которых наиболее распространены следующие:
а) ультразвуковой способ с использованием аппаратуры типа УКБ, УК-10П, УК-15 и т. д.;
б) импульсный метод с использованием нагрузок единичного удара или взрыва для измерения времени распространения колебаний между заданными точками в массиве;
в) сейсмический метод.
Ультразвуковой метод может быть использован для определения скоростей упругих волн на сравнительно небольших базах (0,3-1,5 м), т.е. для определения деформационных свойств пород с учётом структурных неоднородностей не ниже III - го порядка.
Сущность метода заключается в том, что в массиве пород пробуривают шпуры или скважины и затем, помещая в одни из них приемник, а в другие излучатель, определяют время прохождения импульсов по прозвучиваемому участку массива. Зная время прохождения импульса и измеряя расстояние между шпурами, вычисляют скорость упругих волн.
Для измерений применяют комплект аппаратуры со специальными датчиками. Плотный контакт излучателя и приемника с породой обеспечивается механическим или (в последнее время) пневматическим способами. Для повышения качества акустического контакта применяют воду или масло, которые заливают в шпуры, либо используют прокладки из вакуумной резины. На рис. 6.14 показан комплект ультразвуковой аппаратуры, разработанный в Горном институте КНЦ РАН.
При импульсном методе в качестве возбудителя колебаний обычно используют механический удар или взрыв, а время пробега упругих волн измеряют какими-либо счетчиками времени. В качестве приемников применяют пьезодатчики, электрические импульсы от которых поступают на многоканальные осциллографы или могут быть записаны на магнитофонную ленту.