Файл: Карташов Ю.М. Оборудование для исследования физико-механических свойств горных пород (патентный обзор) [сотрудникам НИИ, проектно-конструкторских и проектных институтов].pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.07.2024
Просмотров: 76
Скачиваний: 0
М и н и с т е р с т в а уг о л ь н о й п р о м ы ш л е н н о с т и С С С Р
Центральный научно-исследовательский институт экономики и научно-технической информации угольной промышленности
Серия "Рационализаторские предложения, внедренные в производство"
I
Ю.М. Карташов, 3. Б. Головина
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
(Патентный обзор)
Москва 1974
УДК 622.002.553.001.4:620.173.2-52
АН Н О Т А Ц И Я
Вобзоре использованы описания к авторским свидетель
ствам СССР и патентам США, Великобритании, Франции, Ф РГ и ГДР, сгруппированные в разделахпо основным на правлениям совершенствования приборов и устройств для исследования физико-механических свойств горных пород.
Обзор предназначен для инженерно-технических работ ников предприятий и институтов, занимающихся исследова нием физико-механических свойств горных пород и может быть использован работниками патентных служб при пред варительной экспертизе на новизну.
1Уч*'*личная
г.г.нкч'эская
С С СР
; :Р
0>ЦНИЭИуголь, 1974,
В В Е Д Е Н И Е
Для решения различных горнотехнических задач необ ходимо знание физико-механических свойств горных пород, показатели которых определяются различными испытаниями. В последние годы разработаны новые и усовершенствованы существующие методы испытаний пород.
Испытательное оборудование, приборы и устройства для
изучения физико-механических свойств горных пород |
в ла |
бораторных и натурных условиях можно подразделить |
на |
приборы и устройства для определения прочностных свойств
горных пород; прессы и прессовое оборудование; |
приборы |
|||
и устройства для. определения напряженного состояния |
и |
|||
деформационных свойств горных пород. |
|
|
|
|
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД |
|
|||
НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ И РАСТЯЖЕНИЕ |
|
|||
Как правило, в лабораторных условиях |
испытываются |
|||
образцы правильной геометрической формы (кубы, |
призмы, |
|||
цилиндры) , изготовление которых из слабых |
и трещинова |
|||
тых пород затруднительно, а иногда практически |
невозмо |
|||
жно. Для получения ненарушенных образцов |
разработана |
|||
камнерезная коронка |
1 (рис. 1,а) с прижимным |
устройст |
||
вом [1], состоящим |
из телескопических поршней 2, 3 и |
4, |
||
распорных пружин 5, 6, упорного подшипника |
7 и |
опорной, |
||
подушки 8 из плотной резины. При выбуривании |
образцов |
|||
из трещиноватой или рыхлой породы подушка |
прижимается |
|||
к породе с силой, определяемой пружинами. |
Это |
сохраняет |
ненарушенной структуру выбуриваемого образца.
3
Повышение точности результатов испытаний достигает ся в большей части приборов созданием определенных ус ловий на торцах образцов, при которых напряженное состо яние материала образца оказывается близким к однородно му. Это не связано с усложнением известных методов и тщательностью изготовления образцов, в некоторых случаях
допускается применение образцов с грубо |
обработанными |
торцами £2]. Предложенный прибор состоит |
из опорных |
плит 1 (рис. 1,6) пресса, шаровой опоры 2, |
накладок 3, |
Рис. 1
эластичных прокладок 4 (эпоксидная смола) и шариковых инденторов 5 диаметром 2 мм, между которыми устана вливается образец 6. При сжатии образца шариковые инденторы внедряются в его торец и под шариками возника ют соединяющиеся между собой зоны раздробленной поро
4
ды, через которые передается давление на образец. При менение эластичных прокладок равномерно располагает ша риковые инденторы по торцу образца, с одинаковым усили ем контактируя на его выпуклостях и впадинах. Располо жение прокладок й инденторов в замкнутом объеме, обра зованном выточкой в накладке, препятствует возникновению растягивающих напряжений в образце, неизбежных при при менении "свободных*" эластичных прокладок. Диаметр внут
ренней выточки в накладке выбирается в зависимости |
от |
|
диаметра образца. Зазор между образцом и стенками |
вы |
|
точки для предотвращения "зажимания" торцов |
образца |
шариковыми инденторами должен быть не более 0,35 мм. При испытаниях на одноосное сжатие часто производит
ся измерение деформаций у торцов образца и в его сред ней части (при равномерном распределении поперечных де формаций по высоте образца напряженное состояние мате риала можно считать близким к однородному). Однако са мо измерение деформаций является пассивным. Разработан
ный способ |
испытаний материалов |
на одноосное |
сжатие |
и |
||
устройство |
для его осуществления |
[3] |
позволяют |
активно |
||
управлять |
деформациями одного и |
того |
же* образца в про |
|||
цессе его |
нагружения, изменяя величины касательных |
на |
пряжений на торцах образца с равномерным распределени ем поперечных деформаций по его высоте. Этим достигает ся однородность напряженного состояния материала. Вели чина касательных напряжений на торцах образца в устрой стве изменяется путем регулировки податливости низкомодульных прокладок в процессе нагружения. Образец 1 (рис.
1, в) с тензодатчиками 2 для измерения поперечных |
де |
|
формаций торцами прилегает к прокладкам 3 из |
низкомо |
|
дульного материала. К аж дая прокладка помещена |
в жест |
|
кую цилиндрическую обойму 4, выполненную в виде |
|
трех |
сегментов, соединенных между собой регулировочными бо
лтами 5. Нагрузка на образец передается |
от |
давильных |
|||
плит пресса через шаровую опору 6 и стальные |
пуансоны |
||||
7. Подготовленный к испытанию образец сжимается |
|
на |
|||
прессе усилием, составляющим 2-15% от прочности |
породы |
||||
на одноосное сжатие (первая ступень нагрузки). |
При |
этой, |
|||
нагрузке определяются величины поперечных |
деформаций в |
||||
средней части и у торцов образца.. |
Если деформации |
у |
тор |
||
цов меньше, чем в средней части, |
внутренний |
диаметр |
5
цилиндрических обойм 4 увеличивают вращением болтов 5, обеспечивая податливость прокладки 3 в поперечном напра влении* Так как между прокладкой и образцом имеется оп ределенное сцепление, то образец дополнительно деформи руется. Прочность образцов, испытанных при однородном напряженном состоянии материала, в широких пределах не зависит от отношения высоты образца к его диаметру.
Рис. 2
При исследованиях бывает необходимо на одном образ
це провести испытание на сжатие и растяжение, что |
отни |
|||
мает много времени. Во избежание этого предложено |
уст |
|||
ройство |
для испытания бетонных образцов [4]. |
Спиральная |
||
пружина |
1 (рис.2, а) своим верхним витком прижимается к |
|||
промежуточному диску 2, соединенному через |
винты |
при |
||
жатия 3 |
с верхним опорным диском 4. Опорное |
приспособ |
||
ление |
5 |
снабжено крепежной системой, состоящей из |
бол |
|
тов 6 |
с |
шайбами 7. В центре диска 2 имеется |
отверстие |
для образца 8, устанавливаемого на нижнем диске 9 с тен
зометрическим. динамометром 10. К торцам образца |
при |
клеиваются опорное приспособление 5 и пластина 11. |
Обра |
зец болтами 6 через пластину с динамометром крепится к диску 9; аналогично крепится другой конец образца. На ис пытательной машине устройство с образцом сжимается, а затем винтами 3 в образце создаются растягивающие на пряжения, равные предварительно приложенной нагрузке.
6
В установке [б] достигаются повышение точности |
|
испы |
|||
таний и изменение знака нагрузки без перемещения |
образ |
||||
ца* Для создания в образце 1 |
(рис. 2, б) |
сжимающего |
уси |
||
лия сайки 2 навинчиваются на |
винтовые |
стяжки 3, |
Усилие |
||
через верхнюю траверсу 4, шарнирную головку 5, |
динамо |
||||
метр 6, вкладыш 7 и прокладку 8 передается на |
верхнюю |
||||
анкерную плиту 9. Для создания растягивающего |
|
усилия |
|||
необходимо разгрузить образец и сдвинуть прокладку |
в |
||||
сторону. При этом вкладыш кладется заплечниками |
10 на |
среднюю траверсу 11. Растягивающее усилие в образце:-со здается навинчиванием гаек 12 на стяжки 13. Возникаю щие в последних растягивающие усилия передаются через нижцие концы на плиту 9, а через верхние концы - на тра версу 4, шарнирную головку, динамометр и затем через за
плечики |
- на траверсу 11 и колонны |
14, опирающиеся |
на |
||
нижнюю траверсу |
15. |
|
|
|
|
Установка для |
испытания пород на растяжение |
[б], |
по |
||
зволяет |
повысить |
точность измерений |
и проводить |
испыта |
ния образцов в условиях независимого приложения растяги
вающих и сжимающих усилий. Установка состоит |
из |
кор |
||
пуса 1 (рис, 2, в) со шлифованным сквозным |
вертикальным |
|||
отверстием, направляющей 2, подвижной 3 и |
неподвижной |
|||
4 втулок, цилиндрического затвора 5, основания 6 |
и |
за д |
||
вижки 7. Образец* 8 горной породы скреплен |
со |
|
втулками |
|
легкоплавким сплавом 9. Растягивающее напряжение |
осу |
|||
ществляется нагнетанием компрессорного масла |
от |
источ |
||
ника давления через патрубок 10 с манометром |
|
в |
зазор |
|
между нижним заплечиком подвижной втулки 3 |
и заплечи- |
ком направляющей 2. Сжимающие равные напряжения осу*^ ществляются нагнетанием компрессорного масла от источ ника давления через патрубок 11 с манометром в полость между втулками и образцом. Масло, передающее давление на боковую поверхность образца, действует одновременно на нижнюю плоскость втулки 3, вызывая растягивающие на
пряжения. Для компенсации этих напряжений |
внутренняя |
полость установки соединена трубопроводом 12 |
с зазором |
между нижней плоскостью затвора 5 и верхним заплечиком
втулки 3. Конструкция установки |
позволяет |
проводить |
ис |
|
пытание пород на растяжение от |
5-10 |
до 300 кГ/см^, |
с |
|
величиной сжимающих напряжений от |
0 до |
600 кГ/см^. |
|
7
Вопросы, связанные с центрированием образцов и закре плением их при испытаниях, рассмотрены в описаниях к изобретениям [7-14] •
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД НА СРЕЗ (СДВИГ)
Приборы и устройства для определения показателей со
противления срезу (сдвигу) разрабатываются |
большей |
частью для слабых горных пород. |
образцов |
Усовершенствование приборов для испытания |
грунта в условиях плоской деформации заключается в сле
дующем |
[15]. В приборе, состоящем |
из корпуса и двух бо |
||
ковых стенок, изменяющихся |
по |
высоте, нагрузочный |
||
штамп для повышения точности выполнен с накидной |
ра |
|||
мой. На |
каждом скошенном торце рамы смонтирован |
зуб |
чатый диск с подвижной направляющей, имеющей фикса тор, и расположенный с возможностью перемещения ползун,, шарнирно соединенный жесткими тягами с одной боковой стенкой корпуса. При повороте стенок образец сдвигается.
Прибор позволяет определять все компоненты |
напряжения |
и деформации в условиях плоской деформации |
на любой |
стадии работы. Дальнейшее усовершенствование |
прибора |
связано с обеспечением возможности плоскопараллельного поступательного перемещения боковых стенок.
Известные приборы для испытания грунта на сдвиг не позволяли плавно менять угол наклона плоскости в процес се испытания. Для этой цели был разработан прибор, отли чающийся тем, что нижняя часть его корпуса выполнена с криволинейными направляющими, имеющими на боковой по верхности резьбу, и взаимодействующими с червячным ме ханизмом. Вертикальная нагрузка раскладывается на сжи мающую и сдвигающую силы, величины которых служат ис ходными в дальнейших инженерных расчетах.
С целью упрощения конструкций приборов и создания на поверхности образца равномерно распределенной нагрузки был разработан прибор для определения сопротивления ррунта сдвигу, в корпус которого вставлена камера для образ ца. В отверстие днища корпуса вставляется штамп со што ком. Корпус с камерой покрыт упругой мембраной, на ко-
8
торую установлена прозрачная крышка. Корпус |
и |
крышка |
|||
плотноссоединены болтами, размещенными по |
периметру |
||||
прибора. Сжатый воздух или жидкость, необходимые |
для |
||||
создания нормального давления на поверхности |
|
образца |
|||
грунта, подаются по шлангу в полость крышки |
через шту |
||||
цер; К раме прибора прикреплен винт, которым |
|
создается |
|||
выталкивающее усилие, передаваемое на образец |
грунта |
||||
через динамометр и штамп со штоком. |
|
|
|
|
|
Компактное устройство для испытания слабых |
материа |
||||
лов на сдвиг, разработанное в США |
[1б] , |
имеет полый ци |
|||
линдр, в котором с противоположных концов |
|
подвижно |
|||
смонтированы два цилиндрических пуансона. |
Последние |
||||
имеют полукруглые торцовые поверхности, |
расположенные |
||||
взаимосвязанно. Материал помещается в полом |
|
цилиндре |
|||
между пуансонами и под действием приложенной к |
пуансо |
||||
нам силы может сдвигаться вдоль продольной плоскости. |
|
||||
Применительно к прочным породам |
из оригинальных раз |
||||
работок можно отметить способ, устройство и |
образец |
для |
испытания на чистый срез fl7] . Способ обеспечивает в пло
скости среза образца наличие только тангенциальных |
на |
||
пряжений (нормальные напряжения при этом |
равны нулю) и |
||
основан на теоретическом анализе: распределения |
действу |
||
ющих в образце напряжений при определенном приложении |
|||
внешних сил. Проверка способа проводилась |
методом |
оп |
|
тического моделирования с испытанием образцов пород. |
|
||
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПОРОД |
|
||
НА ИЗГИБ И КРУЧЕНИЕ |
|
|
|
Разрушение пород при их испытании на изгиб |
происхо |
||
дит в основном от действия растягивающих |
напряжений. |
Поэтому результатами испытаний на изгиб часто пользуют
ся для определения прочности породы на растяжение, |
с |
||
применением известных* пересчетных формул. |
В |
плоскости |
|
разрушения напряженное состояние материала |
образца |
не |
|
однородно (переход от сжатия к растяжению), |
величина |
||
прочности породы на изгиб существенно зависит |
от формы |
||
и размеров образцов, способа приложения и вида |
нагрузки, |
характера заделки концов образца, вида опор и т .д . Основ ные предложения по этому виду испытаний направлены на
9
(