Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ основных натурных методов исследования напряжений в массиве горных поюд 11
1.1. Метод ВНИМИ 13
1.1.1. Совершенствование метода ВНИМИ А.Д.Сашуриным 15
1.2. Метод Лимана 16
1.3. Метод Хаста 17
1.4. Метод разгрузки прямолинейными щелями 17
1.5. Метод частичной разгрузки 19
1.6. Совершенствование метода разгрузки по Лиману 22
1.7. Метод параллельных скважин 24
1.8. Метод гидроразрыва 26
1.9. Методы измерения приростов напряжений 28
1.9.1. Метод скважинных деформометров 28
1.9.2. Метод гидравлических датчиков 30
1.9.3. Метод упругих скважинных датчиков 31
1.9.4. Другие виды геомеханических измерений 34
1.9.5. Методы фотоупругих покрытий и скважинных фотоупругих датчиков 34
2. Теоретические основы метода разгрузки керна с центральной скважиной с использованием кольцевого фотоупругого датчика 41
2.1. Постановка и решение задачи 41
2.2. Анализ теоретического решения 48
2.3. Методика расшифровки оптической картины 52
2.4. Тарирование фотоупругих датчиков 60
2.5. Методика экспериментальной оценки контактных условий 60
2.6. Погрешность метода 61
3. Лабораторные эксперимент 65
3.1. Сведения об исследованиях по адгезии 66
3.1.1. Понятие адгезии 66
3.1.2. Методы исследования адгезионной прочности 68
3.2. Лабораторный эксперимент по адгезионной прочности клея 69
3.2.1. Общая методика эксперимента 69
3.2.2. Исследование адгезии к стеклу К8 71
3.2.3. Исследование адгезии к полистиролу 71
3.2.4. Исследование адгезии к породам 74
3.2.5. Анализ лабораторного эксперимента по адгезионной прочности 74
3.3. Лабораторный эксперимент по методу полной разгрузки 80
3.3.1. Оборудование и материалы 80
3.3.2. Методика изготовления и подготовки кубиков к эксперименту 80
3.3.3. Описание конструкции и работы пресса 81
3.3.4. Тарирование датчиков 82
3.3.5. Результаты эксперимента по методу полной разгрузки 84
4. Натурные исследования 88
4.1. Горно-геологическая и горнотехническая характеристика Таштагольского железорудного месторождения 88
4.2. Измерение напряжений методом полной разгрузки на Таштагольском руднике и шахте № 12 АО «Киселёвскуголь» 90
4.2.1. Размещение и оборудование измерительных станций 90
4.2.2. Методика измерения полных напряжений с использованием фотоупругих датчиков 92
4.2.3. Съём показаний и обработка результатов 94
4.2.4. Эксперимент по методу полной разгрузки на шахте № 12 97
4.3 Исследование полных напряжений в тюбинговой крепи 99
4.3.1. Конструкция и место установки экспериментальной тюбинговой крепи 99
4.3.2. Установка фотоупругих датчиков в тюбингах и оборудование замерных станций 101
4.3.3. Исследование напряжений в элементах сборной тюбинговой крепи 104
4.3.4. Нестационарное волновое изменение напряженнодеформированного состояния геомеханического пространства при ведении подземных горных работ 125
4.3.4.1. Анализ распределения напряжений <Ті и Сг 125
4.4. Геомеханические процессы в подземных выработках удароопасного рудника в зоне подготовки землетрясений 129
Выводы 133
- Методы измерения приростов напряжений
- Методика расшифровки оптической картины
- Лабораторный эксперимент по адгезионной прочности клея
- Измерение напряжений методом полной разгрузки на Таштагольском руднике и шахте № 12 АО «Киселёвскуголь»
Введение к работе
Актуальность темы. С ростом глубины горных работ возрастает напряжённое состояние массива, увеличивается горное давление, включая его динамические проявления.
Существование тектонических напряжений и непостоянство механических свойств пород, слагающих горный массив, величины напряжений не могут быть определены теоретическим путём. Достоверные сведения о напряжениях получают натурными измерениями.
Среди натурных измерений приращений напряжений признаны методы, основанные на использовании скважинных кольцевых фотоупругих датчиков. По показаниям одного датчика получают информацию о плоской компоненте тензора напряжений и, кроме того, это единственные геомеханические приборы, которые дают возможность визуально оценивать ориентацию главных (квазиглавных) напряжений. Такие датчики, изготовленные из силикатных стёкол, не подвержены коррозии и могут непрерывно работать длительное время.
Вместе с тем, отсутствуют методы измерения полных напряжений с использованием скважинных кольцевых фотоупругих датчиков. В этой связи разработка таких методов для массива горных пород и шахтных крепей является актуальной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с темами: «Разработка теоретических основ прогнозирования горного давления в угольных шахтах» (№ гос. регистрации 81081228), 1981-1985 гг.; «Развитие научных основ эффективных технологий разработки месторождений твердых полезных ископаемых подземным способом», 1986-1990гг. (№ гос. регистрации 01860079149); «Исследование природных и техногенных явлений в верхней части земной коры применительно к проблеме разработки полезных ископаемых», 2001-2005гг. (№ гос. регистрации 01.2.00104513).
Цель работы: развить методы: разгрузки керна с центральной скважиной применительно к массиву горных пород и измерения полных напряжений в тюбинговых крепях динамометрическими рамами на основе скважин-ных кольцевых фотоупругих датчиков.
Идея работы: состоит в использовании особенностей оптической картины в скважинных кольцевых фотоупругих датчиках при оценке полных напряжений в массиве горных пород и тюбинговых крепях.
Задачи исследований:
обосновать использование скважинных кольцевых фотоупругих датчиков в методе полной разгрузки на основе соответствующих задач механики твердого деформируемого тела для случаев «полное сцепление» и «полное проскальзывание» на контакте датчика со стенками скважины;
разработать применительно к скважинным кольцевым фотоупругим датчикам методику измерения полных напряжений в массиве горных пород по схеме разгрузки керна с центральной скважиной, включая расшифровку оптической картины с учетом вида контактных условий;
исследовать полные напряжения в тюбинговой крепи подземной горной выработки с использованием скважинных кольцевых фотоупругих датчиков;
- выполнить натурные исследования по оценке полных напряжений в
массиве горных пород методом разгрузки керна с центральной скважиной.
Методы исследования: анализ литературных и патентных источников по вопросам измерения напряжений, применение методов: механики твердого деформируемого тела и поляризационно-оптических, физического моделирования, лабораторных исследований, натурных экспериментов в условиях угольной и рудной шахт, математической и графической обработки экспериментальных данных на ЭВМ.
7 Основные научные положения, защищаемые автором:
оценка напряжений в массиве горных пород методом разгрузки керна с центральной скважиной кольцевыми фотоупругими датчиками требует при расшифровке их показаний учитывать условия сопряжения на контакте датчика со стенками скважины;
в методе разгрузки керна с центральной скважиной с использованием кольцевого фотоупругого датчика экспериментальная оценка контактных условий вида «полное сцепление» и «полное проскальзывание» основана на отличии структуры оптической картины в датчике от условий сопряжения;
измерение полных напряжений на основе скважинных кольцевых фотоупругих датчиков реализуется: в массиве горных пород методом разгрузки керна с центральной скважиной; в тюбинговых крепях с использованием отдельных тюбинговых колец в качестве динамометрических рам с предварительно установленными в них датчиками;
использование кольцевых фотоупругих датчиков в динамометрической раме, установленной в кольце тюбинговой крепи позволяет оценить динамику изменения напряжений и их ориентации, включая периоды подготовки землетрясений.
Достоверность положений, сформулированных в работе, обеспечивается корректностью постановок задач в рамках механики твёрдого деформируемого тела, лабораторными и натурными исследованиями, соответствием теоретических результатов и экспериментальных данных.
Научная новизна работы заключается в том, что:
решена задача применительно к методу полной разгрузки керна с центральной скважиной, подкрепленной упругим кольцом при условии «полное проскальзывание» на контакте кольца со стенками скважины;
предложена и разработана методика экспериментальной оценки контактных условий вида «полное сцепление» и «полное проскальзывание» применительно к скважинным кольцевым фотоупругим датчикам, основанная на отличии структуры оптических картин;
- реализованы разработанные методики измерения полных напряжений
с использованием кольцевых фотоупругих датчиков: в массиве на основе полной разгрузки керна с центральной скважиной и в тюбинговой крепи динамометрическими рамами с предварительно установленными в них датчиками;
- установлено периодическое возрастание и снижение квазиглавных на
пряжений в элементах крепи с одновременным изменением их ориентации,
включая периоды предшествующие землетрясениям в Алтае-Саянской сейс
мической зоне (1986 и 1988 год).
Личный вклад автора состоит: в решении задачи о полной разгрузке керна с центральной скважиной при условии «полное проскальзывание» и применении известного решения аналогичной задачи при условии «полное сцепление» для разработки методики расшифровки показаний скважинного кольцевого фотоупругого датчика; в развитии метода полной разгрузки с использованием вышеупомянутого датчика и доведении метода до шахтных экспериментов; в разработке метода оценки контактных условий на контакте датчика со стенками скважины; в разработке методики физического моделирования и тарирования датчиков применительно к методу полной разгрузки; в исследованиях по адгезии клеев на различных материалах к методу разгрузки; в разработке метода измерения полных напряжений в тюбинговой крепи на основе использования динамометрических рам с предварительно установленными датчиками; в проведении многолетних шахтных измерений и исследований полных напряжений в тюбинговой крепи на удароопасном месторождении Горной Шории.
Практическая ценность:
- предложено в качестве устройства по регистрации сейсмических про
цессов использовать динамометрические рамы, оборудованные кольцевыми
фотоупругими датчиками.
- разработаны методики измерений полных напряжений в тюбинговых
крепях и в массиве горных пород с использованием кольцевых фотоупругих датчиков;
- даны рекомендации по учету горизонтальных напряжений при проек
тировании и эксплуатации тюбинговых крепей;
Реализация работы в промышленности.
Метод полной разгрузки керна с центральной скважиной, подкрепленной кольцевым фотоупругим датчиком, внедрен на руднике «Таштагольский» (гор. -280 м). Результаты и методика исследований переданы рудоуправлению и службе прогноза горных ударов рудника.
Метод оценки полных напряжений с использованием кольцевых фотоупругих датчиков в динамометрических рамах тюбинговой крепи, основанный на предварительной установке датчиков в тюбингах при их изготовлении, внедрен на руднике «Таштагольский» на экспериментальном участке (гор. -210 м), закрепленном тюбинговой крепью конструкции ИГД СО РАН.
Результаты исследований использованы при проектировании технологии горных работ на гор. —280 м.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на: научном семинаре по горной геофизике (г.Тбилиси, 1987г.), на Всесоюзном науно-техническом семинаре «Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых горных работ» (г. Кривой Рог, 1990г.), на IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (г. Фрунзе, 1989г., г.Бишкек, 1990 г.), на научно-техническом семинаре по механике горных пород (г.Новосибирск, 1990 г.), на X Международной конференции по механике горных пород (г. Москва, 1993 г.), на Всесоюзной конференции «Управление напряженно - деформированным состоянием массива горных пород» (г. Новосибирск - г. Екатеринбург, 1994 г.), International conferenc PHOTOMECHANICS-95 (Abstracta Novosibirsk, 1995г.), на Международной конференции «Геодинамика и напряженное со-
10 стояние земных недр» (г.Новосибирск, 1999 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в одной монографии, 19 статьях, двух патентах РФ и Свидетельстве на ПМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 129 наименований, приложение 2 страницы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. Кулакову Г.И.; сотрудникам группы горных ударов Таштагольского рудника (руководитель к.т.н. Ваганова В.А.), оказавших помощь в проведении экспериментов.
Методы измерения приростов напряжений
В горной практике скважинные деформометры применяются довольно широко. Накопленный опыт и совершенствование конструкций деформометров позволяет применять их сегодня для измерения напряжений на больших глубинах внутри массива пород. Посредством деформометров измеряют обычно изменения диаметра (поперечные деформации), а для более полной оценки процесса деформирования измерительной скважины в массиве проводят измерения продольных (осевых) деформаций. Для изучения напряжённого состояния массива горных пород скважинные деформометры применяются при следующих типах измерений /9/: -сравнительной (качественной) оценки напряжённого состояния без определения величины напряжений; - количественной оценки величин приростов напряжений по мере из менения деформации скважины и определения начальных напряжений в массиве с использованием полной разгрузки прибора в месте измерения. Переход от деформаций к напряжениям производится по формулам теории упругости /48/; - количественной оценки начальных напряжений по методике Н.Хаста.
Оценка погрешности измерений с помощью скважинных деформометров при определении напряжений в исследуемом массиве пород затруднительна, вследствие отсутствия достоверных данных о модуле упругости породы в месте измерения. В связи с этим, как показывает анализ, необходима разработка унифицированных приборов, которые охватывали бы возможно большой диапазон пород по прочности и обеспечивали приемлемую точность измерений. В качестве примера можно привести ряд отечественных конструктивных разработок скважинных деформометров: прибор типа ТУ-КГИ-1, представляющий собой поперечный однокомпонентный деформометр, устанавливаемый в скважине диаметром 25 мм /49/; однокомпонентный струнный деформометр созданный в МакНИИ, однокомпонентный деформометр с проволочными тензодатчиками, разработанный Н.С .Булычевым /50, однокомпонентный струнный деформометр ВНИМИ, рассчитанный на установку в вертикальных и горизонтальных скважинах. Двухкомпонентный струнный деформометр ДС-3, в котором предусмотрена возможность изменять чувствительность и пределы измерения в зависимости от крепости пород массива /51/. Для угольного массива разработано четыре типа поперечных струнных однокомпонентаых деформометров ДС, которые отличаются пределами измеряемых деформаций, чувствительностью и некоторыми конструктивными решениями /52/; деформометр ДН, разработанный в УкрНИИГидроуголь, позволяет одновременно измерять поперечные (радиальные) деформации в трёх различных направлениях, ориентированных под углом 120 один к другому /53, 54/ и т.д. 1.9..2. Метод гидравлических датчиков По методу гидравлических датчиков в ИГД СО РАН был выполнен обширный комплекс исследований для оценки напряжённого состояния массива В.К. Аксеновым, М.В. Курленей, В.К. Федоренко и др. /55-61/.
Гидравлический датчик - это толстостенная резиновая трубка с герметичными торцевыми обоймами, заполненная жидкостью. Получение полезной информации обеспечивается за счёт контроля за давлением жидкости в приборе. Реакцией на изменение напряжений в породе, окружающей датчик, является изменение рабочего давления жидкости в датчике. Теоретические основы метода гидравлических датчиков разработаны специалистами ИГД СО РАН. Выполнены исследования по использованию гидравлических датчиков для оценки полных напряжений. Теоретические исследования работы гидравлических датчиков, выполненные специалистами института, позволили сделать вывод о том, что изменение давления жидкости в датчике пропорционально полу сумме экстремальных (квазиглавных) напряжений, действующих в плоскости нормальной к оси скважины с датчиком. В ИГД СО РАН впервые экспериментально и теоретически обоснована возможность использования гидравлических датчиков для оценки упругих констант породы /46/ при их использовании в методе параллельных скважин. Наконец, было показано, что гидравлические датчики могут использоваться в активных прессиометрических методах /62,63/. Авторы /60-63/ выделяют три разновидности приборов активного воздействия на стенки скважины. Дилатометры - приборы, обеспечивающие равномерное распределение давления на участке скважины, причем средние деформации стенок скважины определяются по измеренному объёму жидкости. Прессиометры отличаются тем, что измерение деформаций осуществляется отдельной измерительной системой. Скважинные домкраты обеспечивают давление на стенки скважины через распорные элементы.
Пенетрометры устройства для передачи сосредоточенной нагрузки на дно или стенки скважины. Перечисленные методы использования гидравлических датчиков основаны на использовании активного принципа силового воздействия на стенки скважины. Уникальный вариант использования гидравлических датчиков в комплекте с прессрасходомером разработан В.К. Федоренко /61,64/. Было предложено строить характеристики (P-VT),P = I (VT), где Р - давление в датчике , VT - объём закаченной в датчик жидкости . На этой основе разработан способ получения в натурных условиях диаграммы «а - є» массива угольного пласта в забое или в стенке подготовительной выработки. Были получены по ветвям нагружения и разгрузки диаграммы «ст-є» и установлено: в глубине массива уголь ведет себя как вязкоупругое тело, по мере приближения к стенке выработки осуществляется переход к упруго-вязко-пластическому и далее к упругопластическому поведению.
Методика расшифровки оптической картины
Методика расшифровки оптической картины Оптическая картина, полученная с фотоупругого датчика, имеет ряд особенностей, которые позволяют определять /97/: 1. По ориентации осей симметрии оптической картины - направление квазиглавных напряжений в породе в плоскости измерений. 2. Направление наибольшего по абсолютной величине квазиглавного напряжения, которое совпадает с главной осью симметрии (на рис. 2.2 и 2.3 -вертикальная ось симметрии) и направление наименьшего, которое совпадет с неглавной осью симметрии (на рис. 2.2 и 2.3 - горизонтальная ось симметрии). 3. Знаки обоих квазиглавных напряжений в породе. 4. Величину отношения квазиглавных напряжений в породе в плоскости измерения - параметр X. 5. Величину наибольшего квазиглавного напряжения по отсчету в одной из характерных точек оптической картины. 6. Величину наименьшего квазиглавного напряжения, которое равно произведению наибольшего квазиглавного напряжения на параметр X. Измеряемые напряжения пропорциональны показаниям датчика, точнее порядку полосы в фиксированной точке отсчёта (п) и цене полосы датчика в этой точке (аз). q = f(n, 0) (12) Физический смысл со это прирост напряжений в породе соответствующий одному порядку полосы в датчике. Рассмотрим подробнее величину со.
Лабораторные исследования показали, что величина со переменная и зависит от целого ряда факторов: параметра А,, модуля упругости материала датчика и породы, коэффициентов Пуассона материала датчика и породы, жёсткости датчика, толщины и свойств слоя клея, геометрического параметра т. Поскольку величина со не постоянная, то при практических расчётах ею пользоваться неудобно. Желательно иметь в качестве величины цены полосы некоторую постоянную величину, независящую от перечисленных факторов. С другой стороны цена полосы должна определяться экспериментальным путем в процессе тарирования датчиков. Если цена полосы зависит от условий тарирования, то есть от материала образца и от характера нагружения (одноосное или двухосное), то каждый раз цена полосы будет разной. Чтобы это избежать введём понятия: «эталонные условия» и «эталонный датчик». Примем за эталонный датчик такой, который имеет следующие параметры: Ei=6,3 104Мпа, vi=0,21, внутренний радиус Ri=0,3 см, внешний радиус R.2=l,8 см. За эталонные условия примем следующие: 1. Тарирование при одноосной нагрузке (Х=0). 2. Толщина слоя клея равна нулю. 3. Модуль упругости породы Е2=1,575 104Мпа. 4. Коэффициент Пуассона v2=0,25. 5. Параметр m=6. 6. Жёсткость датчика к=4. Цену полосы указанного датчика, полученную при эталонных условиях назовём «ценой полосы эталонного датчика (со3)». Очевидно, такая цена полосы будет величиной постоянной. Такой подход позволяет тарировать датчик в одной породе, например в бетонных кубиках.
Ефи этом для тарирования можно использовать пресс с одноосным нагружением. Рассмотрим, как получить фактическую величину цены полосы конкретного датчика, используя эталонную величину цены полосы. Перепишем формулу (12) в следующем виде : Здесь КІ - коэффициент пропорциональности, который должен учитывать все возможные отклонения цены полосы конкретного датчика от цены полосы эталонного датчика. Примем ків следующем виде: Кі=КіК2КзК4К5ІСбК7, (14) С учётом выражения (14) формула (13) примет следующий вид: q = кі к2 к3 К4 к5 Кб к7 со3 n, (15) где Ki - коэффициент, учитывающий влияние величины отношения квазиглавных напряжений Х=а\/о2\ р к2 - коэффициент, учитывающий влияние жёсткости датчика (к2=—); Е„ кз - коэффициент, учитывающий влияние коэффициента Пуассона массива (у) для случая плоской деформации; К4 - коэффициент, учитывающий влияние коэффициента Пуассона материала датчика (vi); к5 - коэффициент, учитывающий влияние безразмерного параметра т=—, где R2 - внешний диаметр датчика, R\ - внутренний диаметр датчика; Кб - коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений у торцов датчика; к7 - коэффициент, учитывающий влияние слоя клея; соэ - тарировочная (эталонная) цена полосы датчика в точке отсчёта, МПа/полос; п - порядок полосы в точке отсчёта, полос.
Примем, что для эталонного датчика, эталонного материала и эталонных условий все коэффициенты из формулы (15) равны единице. Кроме того, из формулы (15) можно записать: ЮФ=КІС03 (16) РаССМОТрИМ Подробнее ВЫЧИСЛеНИе Коэффициентов Kj. Положим, что коэффициенты К{ находятся по следующим формулам: Гтах (Яр » т Еаэ » Е„э У Ь Vк) ґ л П\ К = а тт: т? Т t17 Гшах U/. т Е Е„э V V J Tmax Ыр т- E to» Ея, Vin Vк) П Q\ K = Z—м с с л (19) Къ trow пэ Удэ r Uo- E Ew Vos Vj Uo E .E V .vJ (20) к r Uc E .E V Vj Из этих формул следует, что КІ есть поправочные коэффициенты при вычислении порядка полосы в конкретном датчике при использовании отсчетов по эталонному датчику. Для наглядности перепишем в качестве примера формулу (17) в следующем виде: Откуда видно, что КІ является поправочным коэффициентом. Графики для коэффициентов КІ построенные по формулам (17)-(20) приведены на рисунках 2.4- 2.7.
Лабораторный эксперимент по адгезионной прочности клея
Вопрос оценки адгезионной прочности клея возник при проведении лабораторного эксперимента по использованию фотоупругого датчика в методе полной разгрузки. Задача эксперимента сводилась к подбору клея с высокой адгезионной способностью как по отношению к стеклу и породам, так и по отношению к металлу /107-110/. С этой целью была проведена серия исследований прочности клеевых соединений на материалах различной природы (стекло силикатное, органическое, гранит, мрамор, песчаник, уголь, алюминиевые стерженьки). В качестве адгезива использовался клей на основе эпоксидной смолы марки ЭД-20 с добавлением отвердителя-полиэтиленполиамина 12-16 весовых частей (в.ч.) и пластификатора-дибутилфталата 8-12 в.ч. на 100 в.ч. смолы или без пластификатора. Весовые части компонент используемого клея взяты из таблиц 1.41;1.38 /101/. Количественно весовые части компонент из предложенного в таблицах интервала были определены опытным путем. Клей, который использовался для проведения всех экспериментов по оценке адгезивной прочности, состоит из 100 в.ч. смолы ЭД-20, 12 в.ч. отвердителя - полизтиленполиамина и 8 в.ч. пластификатора - дибутилфталата. Опытным путем определено время отверждения клея данной композиции - сутки.
Методика исследований заключалась в следующем. Поверхность материала, на которую наносили адгезив, тщательно шлифовалась и обезжиривалась. На подготовленную поверхность наклеивались металлические стерженьки из алюминия. Поверхность стерженька, в месте склеивания, также тщательно шлифовалась и обезжиривалась ацетоном или спиртом. Система стерженьков выдерживалась трое суток до полной полимеризации клея. Затем клеевое соединение исследовалось на адгезионную прочность с помощью набора гирь, которыми равномерно нагружали площадку подвешенную к стерженьку. Принцип используемого метода состоит в определении разрушающей нагрузки при растяжении образца в направлении перпендикулярном плоскости склеивания. Такое нагружение обеспечивает наиболее равномерное распределение напряжений по площади клеевого шва. Разрушающие напряжения клеевого соединения при равномерном отрыве определяют по формуле /100/: « , (3-І) F
где Р - разрушающая нагрузка, Н; 71 F - площадь склеивания, м2. Исследование адгезии к стеклу К8 Для исследования было взято обычное оконное стекло, выше упомянутый клей и набор алюминиевых стерженьков. Стерженьки наклеивались на стекло и выдерживались до полного отверждения клея. Затем производили поочередное нагружение стерженьков рис.3.1. Исследования на отрыв показали, что вес груза колеблется от 70 до 95 Н, что соответствует по формуле (3.1) напряжениям 250-340 Па. Характер разрушения - когезионный. 3.2.3. Исследование адгезии к полистиролу Материал полистирол относится к пластмассам. Эти материалы, независимо от их химической природы, полярности, способа обработки и т.д., могут быть склеены отверждающимися при обычных температурах полиуретановыми и эпоксидными клеями. Однако, соединения, выполненные клеями холодного отверждения, могут оказаться недостаточно прочными в условиях эксплуатации. В некоторых случаях эти материалы хорошо склеиваются с помощью растворителей или клеев, представляющих собой растворы полярных линейных полимеров в растворителях или мономерах.
Также для улучшения адгезионных свойств пластмасс предложено ряд методов обработки их поверхности перед склеиванием растворами органических соединений, галогенами, УФ-лучами и механической обработкой (опескоструивание, зашкуривание) /104/ В лабораторном эксперименте использовали тот же компонентный состав клея, о котором упоминалось выше. С помощью его, алюминиевые стерженьки, с хорошо отшлифованной и обезжиренной ацетоном или спиртом поверхностью, наклеивались на пластинку из полистирола рис.3.2, стерженьки 1и2. Оценить нагрузку при равномерном отрыве не удалось, стерженьки отрывались уже при подвешивании площадки под груз, вес которой 1,35Н. Характер разрушения - адгезионный. Исследования показали, что использование эпоксидного клея без перечисленных выше методов предварительной обработки склеиваемых поверхностей, не дает должных результатов. Полученный результат следует учитывать при использовании датчиков из полистирола. 3.2.4. Исследование адгезии к породам Исследования были проведены на породах: песчаник, гранит, мрамор, алевролит, уголь. В качестве клеящего материала использовался принятый выше адгезив.
После обезжиривания на породную подложку наклеивали (алюминиевые) стерженьки и цилиндрики из стекла К8. Через сутки образцы нагружались статической нагрузкой на отрыв рис.3.3-3.5. 3.2.5. Анализ лабораторного эксперимента по адгезионной прочности В данных исследованиях необходимо было подтвердить использование синтетических клеев на основе эпоксидной смолы ЭД-20, в качестве адгезива, для разных материалов, весовой состав входящих компонент - отвердителя, пластификатора, а также температуру, время, характер отрыва, толщину слоя клея. Использование клея на основе эпоксидной смолы ЭД-20 было принято на основе справочных материалов по назначениям клеев /105/. Оптимальное количество смолы, отвердителя - полиэтиленполиамина, пластификатора -дибутилфталата, а также время отверждения было оценено опытным путем. Полученные в результате выполненных исследований величины напряжений отрыва, вычисленные по формуле (3.1) для ряда материалов, приведены в
Измерение напряжений методом полной разгрузки на Таштагольском руднике и шахте № 12 АО «Киселёвскуголь»
Натурные эксперименты по отработке методики измерений с использованием кольцевых фотоупругих датчиков в методе полной разгрузки керна с центральной скважиной выполнялись на Таштагольском руднике (шахта «Таштагольская»), в районе разрезного блока №17, орта 14-15 гор. -280 м на глубине 820 м рис.4.1. Породы здесь представлены магнетитовой рудой и порфиритами с вкраплениями руды. Крепость по шкале М.М.Протодьяконова /= 14-16. На основе экспериментальных данных, полученных методом полной разгрузки, с использованием кольцевого фотоупругого датчика была произведена оценка напряженного состояния массива в этом районе. Оборудовано три замерных станции (горизонтальные скважины) на некотором удалении друг от друга. В экспериментах использовались кольцевые фотоупругие датчики из материала СД. Внешний диаметр датчиков 44 мм, внутренний диаметр 7мм, длина оптического элемента 30 мм, общая длина 50 мм. Для приклеивания датчиков использовался клей «Э». Бурение измерительных скважин диаметром 46 мм и кольцевой разгрузочной щели диаметром 112 мм производилось буровым станком БСК2-РП с алмазной коронкой.
Чтобы обеспечить соосность датчик-скважина применялось специальное досылочное устройство. Для съёма показаний использовали полярископ ПШ-2, разработанный в ИГД СО РАН и источник света (шахтный головной светильник). Схема разгрузки. Для установки кольцевого фотоупругого датчика бурится измерительная скважина диаметром 42-46 мм в зависимости от диаметра датчика на глубину 0,5-1,0 ) м с использованием бурового станка БСК2-РП. Скважину тщательно очищают от штыба и обрабатывают ацетоном или спиртом для удаления влаги. В торце скважины устанавливают деревянную пробку длиной 10-12 см и бумажный пыж длиной 3-4 см. Затем готовят к установке датчик. Зеркальный слой датчика заклеивают изоляционной лентой для предохранения и исключения затекания клея в осевое отверстие. Боковую поверхность датчика обезжиривают и наносят слой клея «Э». Затем с применением специального досылочного устройства датчик устанавливают в скважине, вплотную к бумажному пыжу. Пробка 3 (обычный деревянный стержень) необходима для того, чтобы исключить влияние торца скважины на показания датчика и обеспечить работу последнего в условиях плоской деформации, что существенно упрощает расчётный аппарат. После полной полимеризации клея, производят разгрузку кольцевой щелью. Для этого кольцевой коронкой диаметром 112 мм вокруг измерительной скважины с датчиком бурят кольцевую щель тем же станком, что и измерительную скважину. Выбуриваемый керн постепенно вынимают не доходя до датчика 10-15 см.
Кольцевая щель бурится на 10-15 см дальше места установки датчика. Последняя часть керна с датчиком извлекается после полного обуривания кольцевой щели. На извлечённом керне делается пометка о его ориентации в скважине, что необходимо для дальнейшей работы с керном и оптической картиной. В процессе бурения кольцевой щели по датчику снимают два отсчёта: перед отрывом керна и сразу после его извлечения из скважины. В этот момент оптическая картина в датчике, которая сформировалась за счёт сил упругого восстановления породного кольца, отражает напряженно-деформированное состояние нетронутого массива. Для установки датчика в скважине используют специальную досылочную штангу (рис.4.3), которая обеспечивает его центрирование и равномерную толщину слоя клея. Также разработан способ установки датчика в трещиноватых породах с использованием кольцевого баллончика с жидким самотвердеющим клеем /111/. В методе полной разгрузки предполагается измерения производить в глубокой скважине на удалении от контура выработки. В рассматриваемом случае измерения выполнялись вблизи контура одиночной выработки, поэтому в расчётах учитывался коэффициент концентрации напряжений. 94 4.2.3..
Съём показаний и обработка результатов За время эксперимента было проведено шесть разгрузок. Три разгрузки в орте 14 и две в орте 15 гор.-280 м. Съём показаний с кольцевого фотоупругого датчика производился дважды до отрыва керна (начало формирования оптической картины) и после отрыва керна. Отсчеты по датчикам и рассчитанные величины напряжений приведены в таблице 4.1 Средние значения напряжений в массиве с учетом коэффициента концентрации напряжений на контуре выработки соответствуют: стг = 32,2 ± 4,1 МПа, ав = 24,5± 3,0 МПа. В таблице: п - отсчет по датчику, полос; X - безразмерный параметр, снимаемый по датчику; а - угол наклона наибольшего квазиглавного напря- жения; Ед, Еп - модули упругости соответственно датчика и породы; va, vn - коэффициенты Пуассона; аг, ав - горизонтальная и вертикальная компоненты напряжений в массиве. Приведем в качестве примера расчет сгг и ав по показаниям датчика 1 (к = 0,5, п = 2, а = 60) с использованием выше изложенной методики.
Воспользуемся формулой (15) из II главы. q = КіК2КзК4К5К6К73П Величины коэффициентов Кі, к2, Кз определяются для точек К из графиков в главе II рис.2.4-2.6 - случай «полное проскальзывание». Коэффициенты К4, к5, Кб, к7 учитываются при тарировке в величине цены полосы датчика юэ, которая берется из тарировочного графика (рис.3.6 б глава III). Согласно формуле (16) из главы II. В рассматриваемом случае измерения проводились на глубине от торца стенки выработки 0,5-0,6 м, поэтому при расчетах необходимо учитывать коэффициент концентрации напряжений вблизи контура выработки. Примем его равным 2. Тогда с учетом этого коэффициента, напряжения в массиве будут: аг = 30,6 МПа, ав = 21,8 МПа. Учтем погрешность метода измерения напряжений кольцевыми фотоупругими датчиками в упругом горном массиве, которая составляет при визуальных отсчетах порядков полос в характерных точках прибора 12,2 -24,4% /97/. Окончательный результат величин напряжений, вычисленный по показаниям датчика 1 для гор.-280 м в орте 14 будет: аг = 30,6 ± 3,7 МПа, ав = 21,8 ± 2,7 МПа. Аналогично примеру были получены значения аг и ав для остальных датчиков в таблице 4.1. Как показали расчёты, результаты, полученные при проведении натурного эксперимента по методу полной разгрузки на руднике «Таштагольскии», согласуются с результатами КузПИ , СМИ-Новокузнецк /112, 113/, ИГД Минчермета - Свердловск /114, 115/ (см. таблицу 4.2) и ВостНИГРИ/116/. Величины полных напряжений для глубины 700 м по данным А.Д. Сашурина: атах = 52,5 ± 7,4 МПа, amin = 45,2 ± 3,6 МПа и ав = 24,0 ± 3,3 МПа. По данным ВостНИГРИ при Н = 820 м: amax = 37 ч- 102 МПа, amin = 24 ч- 64 МПа и aB = 22 МПа.
