Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород

Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения удельной поверхностной энергии горных пород. Цель изобретения - повышение точности определения эне ргии. Используют два идентичных, образца. Нагружение образцов осуществляют трехосным неравнокомпонентным снятием. При разрушении определяют плотность энергии деформирования и удельную поверхность разрушения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 N 3/00

" 1 1 (192

E h2Нз

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797558/28 (22) 28.11,89 (46) 15.07,92. Бюл. ¹ 26 (71) Донецкий физико-технический институт

АН УССР (72) А.Д.Алексеев, Н.А, Рязанцев, B.H.Ревва и Г,П,Стариков (53) 620, 17(088.8) (56) Ярема С.Я. и др. Определение модуля сцепления хрупких. материалов и тем испытания дисков с трещиной на сжатие—

ФХММ, ¹ 1, 1966, с.10 — 14, Изобретение относится к механике разрушения горных пород и может быть использовано для определения величины .1"удельной поверхностной энергии (УПЭ) горных пород и других хрупких материалов, В основу аналоговых методов экспериментального определения УПЭ положено измерение разрушающей нагрузки геометрически правильных тел, ослабленной трещиной, прочность которых описывается аналитически, Известен способ растяжения полуплоскости с прямолинейной трещиной, выходящей на ее границу, монотонно растягивающими сосредоточенными силами, Предполагается изготовление из куска исследуемой породы пластинки, нанесение искусственной трещины и испытание образ ца по принятой схеме, В результате определялась разрушающая нагрузка Р, à у определялась по формуле

„„5Q „„1747992 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОЙ

ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ГОРНЫХ

ПОРОД (57) Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения удельной поверхностной энергии горных пород. Цель изобретения — повышение точности определения эне ргии.

Используют два идентичных образца, Нагружение образцов осуществляют трехосным неравнокомпонентным снятием. При разрушении определяют плотность энергии деформирования и удельную поверхность разрушения.

Р2 +E1о Г где lo — длина трещины, Š— модуль Юнга материала; 3

Г- значение модуля сцепления для пло- р ского напряженного состояния, определяется по номограмме.

Известен также инженерный метод, о предполагающий изготовление пластинки с Q определенными геометрическими размера- 4 ми, нанесение искусственной трещины и испытание образца изгибом. В результате

, аваев определяется разрушающая нагрузка Р. -

Расчет у производится по формуле где  — плечо действия нагрузки Р;

h — толщина образца; . Н вЂ” высота образца;

1747992

1- размер трещины;

А = - — относительная длина трещины.

f (Л) определяется из графика.

Указанные методики имеют существенные недостатки. Во-первых, возникают значительные трудности в изготовлении тонких пластин из исследуемых пород и нанесении искусстве н н ых трещин (и ракт лчески получаются надрезы), необходим также учет ориентации слоистости пород, Во-вторых, поскольку в процессе нагружения образцов реализуется нормальный отрыв„то в результате определяется в основном упругая составляющая УПЭ и незначительно ее пластическая часть, т,е, учитывается в основном отрывной механизм разрушения, Наиболее близким по технической сущности является способ определения удельной поверхностной энергии твердых тел, включающий í "íåñåíèå искусственно образованной одиночкой центральной трещины в цилиндрическом образце с отношением диаметра к толщине больше двух, раскалывание образца по образующей на прессе по на -равлению, совпадающем с длинной осью трещины. Недостатком способа является невысокая точность полученных данных, применимость только при разрушении однородных материалов путем нормального отрыва, когда величина вновь образованной поверхности равна площади сечения образца.

Горные породы — это полиминеральные и многофазные системы, В обьемном поле с>кимающих напряжений, какое присуще горному массиву, разрушение происходит в основном за счет прорастания сдвиговых трещин, а не трещин отрыва. Кроме того, происходит смена зернограничного разрушения по зернам породообразующих минералов. При этом удельная поверхностная энергия возрастает. Процесс нанесения центральной искусственной трещины требует специального оборудования.

Цель изобретения — повышение точности способа определения удельной поверхностной энергии горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения удельной поверхностной энергии горных пород, по которому нагружают образцы горной породы до разрушения, регистрируют параметры .деформирования и разрушения и по ним определяют удельную поверхностную энергию, используют два идентичных образца, нагружение которых осуществляют трехосным неравнокомпонентным c>KBTUIQM, à B качестве параметров деформирования и разрушения определяют плотность энерго деформирования и удельную поверхность разрушения, Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород при обьемном сжатии осуществляют следующим образом, Изготавливают на камнерезном станке из одного и того же куска породы два образца цилиндрической или кубической формы с различными геометрическими размерами (идентичные образцы), Основание образца ориентируют параллельно слоистости. Об-. разцы разрушают в объемном поле сжимающих напряжений на специальном объемном прессе (стабилометр), по одной и той же схеме нагружения 01 > с (тз, моделирующей реальные условия массива горных пород, Например, пусть

01 >02 >УЗ

Я+02 У где 02— ; cr3=Хст1;А= —;

2 . 1 — v

0з =p9 Н; 01,02,0з — главные сжимающие

n- ° напряжения;

,— коэффициент бокового распора; р — плотность пород;

v — коэффициент Пуассона;

g — ускорение свободного падения;

Н вЂ” глубина залегания массива, Минимальная компонента напряжений

0з определяется весом вышележащих по род и равна 03 =p gH. Промежуточное напряжение 02 обеспечивает вид напряженного состояния, обобщенный сдвиг (p = О), 0< +0з т.е, 02 =; а макСимальное напряжЕние 01 определяется при разрушении образ,1О

Фиксируются полые диаграммы "Среднее напряжение — объемная деформация" и

"Касательное напряжение — касательная деформация" на октаэдрической площадке для обоих образцов. Плотность энергии деформирования есть сумма плотностей энергии изменения объема и энергии изменения формы, которые определяются с помощью планиметра как площади под соответствующими диаграммами. Увеличение объема образца при пластическом разупрочнении (дилатансии) ЛО определяют как разницу между предельным уменьшением объема при сжатии и остаточной объемной деформации после разрушения, а величину вновь образованной поверхности определяют с помощью ситового анализа, По полученным данным определяют величину удельной поверхности разрушенного материала S> как отношение вновь образованной поверхно1747992

Sv = -раувЂ

Для образца № 2

3,5 — 2, 20

ЛА А — А1

Sv2 — Sv1 — 4 2

1353 10. м — 127 1051/м 25

1,068 10 мз сти Мн к абсолютному увеличению объема образца при пластическом разупрочнении (дилатансии) ЛЧпл = AO V, Удельную поверхностную энергию разрушения породы определяют как отношение разницы плотностей энергии деформирования двух образцов AW и разницы их удельных поверхностей AS>

Предлагаемый способ опред :ления удельной поверхностной энергии гарных пород реализован следующим образом, . Величина удельной поверхности разрушенного материала для образцов

-5 гпр1 = — — = 08 10 м;

Sv1 — 4 2

° №25 2 3 10 м 45.105

0 270, 10 — 6 мэ гпр2 = - — 02 10 м;

1 ч2 и хорошо согласуется с приведенным радиусом частиц разрушенного материала. Далее по полученным значениям Ai и Ял строим график зависимости энергоемкости разрушения образца от удельной поверхности разрушенного материала и определяем удельную поверхность энергию

Два призматических образца песчаника с размерами 63,2 х 54,6 х 52,1 мм — образец

¹ 1 и 66,8 х 63,8 х 63,4 мм - образец ¹ 2 разрушают при одной и той же схеме нагру5 жения гт1 > =0„".=- 5 МПа. Прочность образца № 1 составила o1 = 109.5 МПа, образца

N 2 — 101,8 МПа.

Суммарная плотность энергии деформирования и разрушения образца № 1, определенная по сумме площадей соответствующих диаграмм, составляет 14,8 МДж/м, для образз ца ¹ з для образца ¹ 1 — 0,6 4, для № 2 — 0,1;4

Величйна пластически де ормируемого обьема, оцениваемая по величине дилатансии. составляет 1,068 10 м и 0,270 10 м" соответственно. Величина вновь образованной поверхности, полученная с помощью ситового анализа, для образца ¹ 1 составляет

Предлагаемый способ более точен по сравнению с прототипом, так как учитывает

30 локализацию деформации (величину ЛЧпл) и смену механизма разрушения в объемном поле сжимающих напряжений; условия разрушения наиболее приближены к реальным, Кроме того, исключена операция по нанесе35 нию искусственной трещинь. в образце, Формула изобретения

Способ определения удельной поверхностной энергии горных пород, по которому нагружают образцы горной породы до разрушения, регистрируют параметры деформирования и разрушения и по ним определяют удельную поверхностную энер1747992

Составитель Э,Карпиловская

Редактор И,Касарда Техред МЛоргентал Корректор С.Лисина

Заказ 2498 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 гию, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, используют два идентичных образца, нагружение которых осуществляют трехосным неравнокомпонентным сжатием, а в качестве параметров деформирования и разрушения определяютт рлотнось энер ии деформирования и удельную поверхность разрушения.