Измерение напряжений методами: частичной и полной разгрузки

Лекция № 9

Способы измерения напряжений

Измерение напряжений методами: частичной и полной разгрузки

Способы измерения напряжений

Способы определения естественных напряжений в массиве горных пород, в окрестностях выработок, в целиках и т. д. по физическим принципам, на которых они основаны, можно подразделить на несколько групп.

Первую группу составляют способы, суть которых — оценка параметров различных технологических процессов горного производства, изменяющихся в зависимости от степени естественной напряженности массива. К этой группе относятся способы, основанные на определении усилия подачи бурового инструмента на забой скважины, процента выхода и фракционного состава штыба и буровой мелочи, степени выхода и вида разрушения керна буровых скважин, формы и размеров камуфлетных полостей при взрыве зарядов постоянной мощности и др.

Ко второй группе относятся деформационные способы, в основе которых лежит измерение деформаций пород с последующим вычислением действующих напряжений.

Наиболее распространенным деформационным способом определения абсолютных значений напряжений является метод разгрузки (частичной или полной). Он основан на измерении упругих деформаций некоторого элемента породного массива при разгрузке этого элемента от действовавших в нем напряжений и упругом восстановлении им первоначальных (не измененных напряжениями) формы и размеров. По измеренным деформациям, зная упругие константы пород (модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций v), вычисляют действующие напряжения, используя математический аппарат теории упругости.

Для определения изменений напряженного состояния пород применяют обычно различные деформометры, размещаемые в буровых скважинах и фиксирующие изменения диаметра скважин по различным направлениям, поперечные и продольные деформации стенок скважины либо суммарный эффект деформации скважины.

Разработано и применяется большое количество различных деформометров. Наиболее широко используют скважинные гидравлические датчики, применение которых основано на методе разности давлений. В скважину помещают гидравлический датчик — цилиндрический домкрат с резиновой оболочкой и создают на контакте с горной породой исходное давление. Изменение давления в гидросистеме, фиксируемое манометром, является исходным для расчета изменения напряжений в рассматриваемой точке массива.

Так называемые компенсационные способы определения действующих напряжений в массивах горных пород следует отнести к третьей группе. Сущность этих способов заключается в первоначальном снятии и последующем искусственном восстановлении напряжений на изучаемом участке массива. Снятие напряжений — разгрузка массива — осуществляется с помощью создаваемых полостей различных конфигураций (скважин, щелей и т. д.), а восстановление напряженного состояния — путем нагружения образованных полостей с помощью специальных нагрузочных приспособлений (дилатометров, домкратов, гидроподушек и др.).Дилато́метр — измерительный прибор, предназначенный для измерения изменения размеров тела, вызванных внешним воздействием температуры, давления, электрического и магнитного полей, ионизирующих излучений или каких-либо других факторов.

Четвертую группу составляют геофизические способы измерений напряжений в массиве горных пород, которые основаны на взаимосвязи с естественным напряженным состоянием параметров различных искусственно наводимых физических полей. Геофизические способы отличаются, как правило, высокой мобильностью и производительностью.

Среди геофизических способов наиболее полно разработан импульсный сейсмический (ультразвуковой) метод определения напряжений. Он основан на взаимосвязи с напряженным состоянием горных пород сейсмических характеристик — скорости и затухания продольных упругих волн, возбуждаемых в массиве.

Электрометрический метод определения напряжений основан на эффекте изменения удельного электрического сопротивления пород с изменением их напряженного состояния.

Для пород с высокой пористостью и большим содержанием влаги вследствие уменьшения сечения токопроводящих каналов и частичного закрытия пор сопротивление с ростом давления увеличивается. Для плотных изверженных и других пород с низким содержанием влаги, проводимость которых определяется в основном наличием токопроводящих компонентов, вследствие их уплотнения под действием сжимающих напряжений и уменьшения расстояний между проводящими компонентами сопротивление понижается.

Возможен и принципиально другой подход к оценке напряженного состояния пород на основе электрометрических измерений. Он базируется на измерении параметров естественного геоэлектрического поля в массиве пород и изменений этих параметров с изменением напряженного состояния.

Широкое применение для оценки напряженного состояния горных пород и прогнозирования опасных ситуаций, связанных с внезапными обрушениями пород, горными ударами, внезапными породными выбросами, получил сейсмоакустический (звукометрический) метод. Он основан на использовании естественных акустических (звуковых) импульсов, возникающих в массиве пород вследствие микроразрушений, обусловленных общим или локальным ростом напряжений. Регистрацию импульсов ведут с помощью специальных датчиков — геофонов, устанавливаемых в скважины и воспринимающих звуковые колебания, возникающие в окружающем массиве при микроразрушениях.

Измерение напряжений методами: частичной и полной разгрузки

Наибольшее применение для определения напряжений на поверхности горных выработок получили метод полной разгрузки, метод частичной разгрузки и метод компенсационной разгрузки.

Метод полной разгрузки основан на измерении деформаций, возникающих при полном снятии напряжений на определенном участке поверхности массива путем создания четырех щелей (врубов). При этом полагается, что до разгрузки породный массив находился в упругом состоянии, и пластическая составляющая деформаций отсутствует.

В предположении, что связь между напряжениями и деформациями линейна и известны направления действия главных напряжений (например, горизонтальное и вертикальное), для плоского напряженного состояния имеют место следующие зависимости:

где ε₁, ε₂ — измеренные главные деформации; σ₁, σ₂ — вычисленные главные напряжения; Е и μ — соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона горных пород в месте измерений.

Порядок выполнения операций при использовании метода полной разгрузки следующий. На выбранном участке поверхности горной выработки устанавливают по два репера (рис. 1), которые с помощью цементно-песчаного раствора закрепляют в предварительно пробуренных шпурах, расположенных на двух взаимоперпендикулярных линиях (горизонтальной и вертикальной).

Между реперами размещают тензометрические датчики или индикаторы часового типа 2. Затем проводят вертикальные щели и измеряют горизонтальные деформации. После проведения горизонтальных щелей измеряют соответственно вертикальные деформации. На оконтуренном щелями участке отбирают керноотборником пробы, на которых в лабораторных условиях определяют деформационные характеристики Е и μ.

Метод частичной разгрузки основан на измерении деформаций в окрестности скважины небольшого (30—60 мм) диаметра, пробуренной в центре исследуемого участка поверхности выработки (рис. 2). В этом случае на поверхности выработки в вершинах равностороннего треугольника бурят отверстия d до 8 мм, в которые на цементно-песчаном растворе помещают анкеры 1. Межу анкерами устанавливают тензометрические приборы 2. Производится начальный отсчет. Затем в центре треугольника бурят разгрузочную скважину 3, глубина которой должна обеспечить стабильные показания приборов. При образовании разгрузочной скважины породы вокруг нее упруго деформируются и реперы перемещаются относительно центра скважины (радиальные перемещения). Скважина создает условия для частичной разгрузки массива, что дает возможность измерить деформации и по специальным формулам рассчитать величину и направление главных напряжений в месте измерений. Шпуры располагают на расстоянии 2—3 диаметров скважины от ее центра.

Рис. 1. Схема эксперимента по измерению деформаций на поверхности обнажения методом полной разгрузки: 1 — шпуры; 2 — тензометрическнй прибор; 3 — разгрузочная щель

Рис. 2. Схема измерения деформаций на поверхности выработок по методу частичной разгрузки: 1 — шпур; 2 — тензометрический прибор; 3— разгрузочная скважина

Тензодатчики

Тензометрический датчик (тензодатчик; от лат. tensus — напряжённый) - датчик, преобразующий величину деформации в удобный для измерения сигнал (обычно электрический), основной компонент тензометра(прибора для измерения деформаций). Существует множество способов измерения деформаций: тензорезистивный, оптико-поляризационный, пьезорезистивный, волоконно-оптический, или простым считыванием показаний с линейки механического тензодатчика. Среди электронных тензодатчиков, наибольшее распространение получили тензорезистивные датчики.

Тензометрия (от лат. tensus - напряжённый и греч.μετρέω - измеряю) - совокупность экспериментальных методов определения механического напряжения детали, конструкции. Основана на определении деформаций или других параметров материала, вызванных механическим напряжением (например, двойного лучепреломления или вращения плоскости поляризации света в нагруженных прозрачных деталях).

Приборы для измерения деформаций называются тензометрами. По принципу действия тензометры делятся на электрические, оптические, пневматические, акустические. В состав тензометра входит тензометрический датчик и показывающие устройства (индикаторы) и/или регистрирующие устройства.

При определении напряжений в массиве горных пород методом разгрузки керна в скважине, а также при измерениях на обнаженной поверхности массива процесс деформирования фиксируется с помощью тензодатчиков. В качестве чувствительного элемента в тензодатчиках используются проволочные или фольговые датчики сопротивления, а также струнные, фотоупругие, полупроводниковые и муаровые датчики. Каждый из этих видов тензодатчиков отличается от других принципом преобразования измеряемых деформаций в электрический или другой вид сигнала, технологией установки, точностью измерений.

Большее распространение имеют тензометрические розетки, собранные на базе проволочных датчиков сопротивления. Тензометрические розетки позволяют измерять деформации массива по разным направлениям, что сокращает затраты времени на одно измерение, повышает надежность получаемых данных, увеличивает интервалы глубин измерения, дает возможность отказаться от соединительных проводов, проходящих в буровом снаряде.

Тензометрические розетки или наклеиваются непосредственно на забой скважины вместе с корпусом, или с определенным усилием прижимаются к торцу скважины. В последнем случае используется свойство датчиков полностью воспринимать деформации за счет возникновения сил сцепления при прижиме их к исследуемому материалу.

Расположение тензодатчиков в розетках по разным направлениям позволяет определять направления главных напряжений.

По числу тензодатчиков различают розетки (см. рис. 62): двухдатчиковые, расположенные перпендикулярно друг к другу; трехдатчиковые прямоугольные (два из них расположены под углом 90, а третий под углом 45°) и равноугольные (расположены под углом 60°); четырехдатчиковые крестообразные, равноугольные (три датчика расположены под углом 60, один — под углом 90° к одному из трех тензодатчиков).

Для наклейки тензометрических розеток на забой скважины широко применяют клеи холодного отвердения — эпоксидные и циакриновые.

Эпоксидные клеи изготовляются из эпоксидной смолы ЭД-6 (ЭД-5), к которой добавляется отвердитель. Для снижения хрупкости в состав клея могут вводиться пластификаторы.

Эпоксидные клеи пригодны к употреблению при температурах не ниже 20°. При температуре 20° время отвердения клея составляет 18—24 ч, при 40° —8—10 ч, при 60° — 2—3 ч.

Циакриновые клеи используются при кратковременных измерениях. Достоинством их является то, что прочность их достигает 80 % в течение часа.

Качество наклейки тензодатчиков оценивается сопротивлением изоляции клеевого шва, т. е. сопротивлением между тензо- датчиками и породой.

Принцип действия фотоупругих датчиков для измерения напряжений в горных породах основан на использовании свойства некоторых изотропных прозрачных материалов приобретать временное двойное лучепреломление при нагружении, т. е. становиться оптически анизотропными.

Методика проведения измерений с помощью фотоупругих датчиков заключается в следующем. На исследуемый объект наклеивается датчик, представляющий собой тонкую пластинку из оптически активного материала. Смещение точек поверхности исследуемого объекта при его нагружении вызывает соответствующие деформации фотоупругой пластинки.

Поляризованный луч света, направленный на фотоупругую пластинку, отражается от поверхности массива или специального отражающего слоя и проходит толщину пластинки дважды.

Из фотоупругой пластинки свет выходит в виде двух лучей, поляризованных в направлении действия главных напряжений, причем один из них запаздывает относительно другого.

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 1842; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!