Экспериментальная база по изучению физико-механических свойств горных пород на примере лаборатории ВНИМИ

Р.Ю. Замараев, П.В. Гречишкин, О.Л. Гиниятуллина
Кемеровский филиал АО «ВНИМИ», г. Кемерово, Российская Федерация
Горная Промышленность №3S / 2024 стр. 57-62

Резюме: Кратко описана история развития экспериментальной базы ВНИМИ на примере лаборатории по изучению физико-механических свойств горных пород в широком диапазоне условий нагружения. Особое внимание уделено современной оснащенности лаборатории. Приведены схемы установок и краткое их описание. Показано, что с целью совершенствования геофизических приборов, создаваемых ВНИМИ, сегодня вводится в строй специальная установка для максимального воспроизведения реальных условий силовой работы массива горных пород. Стенд «Универсальный» целенаправленно выявляет закономерности изменения сейсмических характеристик деформирования и разрушения пород от вида напряженного состояния и энергозапаса на нагружающей системе.

Ключевые слова: экспериментальные установки, физико-механические свойства горных пород, история развития, универсальный стенд

Для цитирования: Лодус Е.В., Тарасов Б.Г. Экспериментальная база по изучению физико-механических свойств горных пород на примере лаборатории ВНИМИ. Горная промышленность. 2024;(3S):53–56. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3S-53-56

Информация о статье

Поступила в редакцию: 18.05.2024

Поступила после рецензирования: 18.06.2024

Принята к публикации: 01.07.2024

Информация об авторах

Лодус Евгений Васильевич – доктор технических наук, заведующий лабораторией физико-механических свойств горных пород, АО «ВНИМИ», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

Тарасов Борис Григорьевич – доктор технических наук, главный научный сотрудник, АО «ВНИМИ», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

ВНИМИ является основоположником современной геомеханики. На протяжении всего существования ВНИМИ, начиная с 1929 г., в нем велись работы по изучению проявления горного давления, горных ударов, сдвижения горных пород, устойчивости бортов карьеров, а также разрабатывались маркшейдерские приборы и др. Исследования проводились как в натурных условиях, так и в различных лабораториях ВНИМИ. Лаборатории, которые занимались изучением механики массивов и физических свойств горных пород в условиях широкой вариации условий нагружения, были основаны Г.Н. Кузнецовым (Лаборатория моделирования) и А.Н. Ставрогиным (Лаборатория динамической прочности и высоких давлений). Лаборатории всегда были оснащены передовым испытательным оборудованием, которое разрабатывалось сотрудниками лабораторий на базе многочисленных изобретений. Важно отметить, что парк оборудования постоянно обновлялся и расширялся за счет внедрения более совершенных систем, для более глубокого проникновения в суть изучаемого объекта. Так, например, на начальном этапе лаборатория Ставрогина была оснащена комплексом установок, которые были рассчитаны для изучения допредельных свойств горных пород. Наиболее важные системы перечислены ниже:

– установка высоких давлений пропорционального нагружения (боковое давление до 200 МПа, что соответствует глубинам в земной коре до ≈ 8 км);

– динамическая установка трехосного сжатия (боковое давление до 200 МПа, скорость нагружения до 102 1/с);

– установки длительных испытаний (УДИ) при одноосном и объемном сжатии. Время испытаний отдельных образцов достигало 5 лет.

По результатам испытаний на этих установках была разработана Ставрогиным [1] теория деформации и разрушения горных пород в широком диапазоне боковых давлений (от 0 до 200 МПа) и скоростей нагружения в 9 десятичных порядков (от скоростей ползучести 10-7 до скоростей 102 1/с, соответствующих скоростям природных динамических явлений, таких как горные удары).

Важным этапом в развитии лаборатории было создание комплекса оборудования для изучения разрушения пород за пределом прочности. Это было вызвано потребностями горной практики, которая столкнулась с проблемой горных ударов, происходивших в постоянно углубляющихся выработках. Для запредельных исследований необходимы были специальные установки с высокой жесткостью нагружения. Лаборатория была первой в СССР, где эти системы были созданы. Они обладали рекордной жесткостью, что позволило изучать запредельные свойства очень прочных и хрупких пород.

Наиболее важные жесткие установки перечислены ниже:

– супержесткая установка одноосного сжатия;

– установка объемного сжатия (диапазон бокового давления 0–200 МПа);

– динамическая установка с максимальной скоростью деформации до 102 1/с;

– фильтрационная установка для изучения влияния газового и жидкостного фактора на разрушение горных пород;

– установка для изучения баланса энергии при спонтанном разрушении за пределом прочности с вариацией жесткости нагружения в 2000 раз.

По результатам испытаний на этих машинах была создана теория запредельной деформации горных пород и были установлены критерии хрупкости пород и удароопасности горных выработок с учетом газового и жидкостного факторов1 [2–11]. С целью оценки степени удароопасности в течение многих лет проводилось тестирование образцов горных пород, поставляемых из разных подземных предприятий, и модельных образцов, создаваемых искусственно из поликристаллов соляных пород.

Современная экспериментальная база

Современный ВНИМИ сделал еще один принципиально важный шаг в борьбе за безопасное ведение горных работ.

На базе новых технологий были созданы геофизические приборы (GITS, Ангел-М и др.), которые устанавливаются на действующих выработках и дают возможность непрерывного онлайн-контроля за динамической активностью вокруг работающих выработок и выявления наиболее опасных участков с целью предотвращения горных ударов.

Рис. 1 Стенд «Универсальный»

Fig. 1 The Universal test bench

С целью совершенствования геофизических приборов сегодня вводится в строй специальная установка для максимального воспроизведения реальных условий силовой работы массива горных пород (рис. 1). Стенд «Универсальный» целенаправленно выявляет закономерности изменения сейсмических характеристик деформирования и разрушения пород от вида напряженного состояния и энергозапаса на нагружающей системе. На направляющих 1 размещены две неподвижные траверсы 2, 3 и три подвижные 4, 5, 6 траверсы с фиксаторами 7, 8, 9 подвижных траверс на направляющих 1. Конусный возбудитель 10 циклической нагрузки имеет привод вращения 11 и установлен на каретке 12 с приводом 13 горизонтального перемещения. Между траверсами 5 и 6 установлен пружинный накопитель 14 энергии упругих деформаций.

Между траверсами 2 и 4 установлен гидравлический нагружатель 15 фоновой нагрузки с насосной станцией 16.

Циклическая нагрузка от вращающегося возбудителя 10 передается толкателем 17. Испытуемый образец обозначен позицией 18, сейсмический прибор обозначен позицией 19. Типовые датчики напряжений и деформаций на схеме не показаны.

Все режимы испытаний, реализуемые на данном стенде, могут быть выполнены на одном и том же образце без его разгрузки при смене режима. Фоновая нагрузка создается нагружателем 15 и насосной станцией 16 при выключенном фиксаторе 7. При непрерывном повышении фоновой нагрузки вплоть до разрушения образца 18 реализуется режим кратковременной прочности. Для испытаний на ползучесть выключают фиксаторы 7 и 8 при включенном фиксаторе 9 и после достижения заданной нагрузки на образце пружинный накопитель 14 обеспечивает длительное удержание нагрузки ползучести. Для испытаний на релаксацию напряжений после достижения заданной деформации образца включают фиксаторы 7 и 8, удерживая тем самым заданную деформацию длительное время. Для циклических испытаний при выключенных фиксаторах 7, 8, 9 включают привод вращения 11 конусным возбудителем 10, через толкатель 17 и пружины 14 циклически нагружают образец. Частота циклов регулируется приводом 11. Амплитуда циклов регулируется положением каретки 12 приводом 13. В процессе испытаний ведется синхронная регистрация нагрузки, деформаций образца, сейсмических сигналов. Испытания проводятся при нагрузках до 20 т, при частоте циклов до 50 Гц. Энергозапас регулируется количеством и жесткостью пружин энергонакопителя. В результате выявляются закономерности изменения сейсмических сигналов, характера разрушения в зависимости от энергозапаса на нагружающей системе, что повышает точность прогноза динамических явлений.

На рис. 2–5 показаны другие установки, сегодня используемые ВНИМИ.

Рис. 2 Пресс-форма

Fig. 2 The press-toolРис. 3 Стенд «Подвижка»

Fig. 3 The Shearing test benchРис. 4 Стенд «Режим»

Fig. 4 The Mode test benchРис. 5 Стенд «Монолит»

Fig. 5 The Monolith test bench

Метод получения искусственных поликристаллов разработан во ВНИМИ с целью исследования влияния структурных характеристик на деформационно-прочностные.

Получают поликристаллы путём механического прессования кристаллов 1 соли (рис. 2) в матрице 2. Исследуют влияние диаметра зерна, плотности, пористости, состава соляных пород, в том числе и на удароопасные свойства солей.

Установка для исследования процессов энергообмена при взаимном смещении блоков пород в массиве (рис. 3). Стенд «Подвижка» работает с двумя образцами 1 и 2 горных пород, каждый из которых сохраняет особенности блоков массива, из которых они изготовлены. Образцы-блоки поджимаются друг к другу (аналог действия гравитационной силы) и сдвигаются друг относительно друга (аналог действия тектонической силы).

Запасы энергии упругих деформаций на окружающих породах от действия этих сил аккумулируются на пружинном 3 и гидравлическом 4 аккумуляторах энергии. Динамичность энергообмена, т.е. реализации запасенной энергии при взаимном смещении образцов-блоков, фиксируется сейсмическими приборами 5 и датчиками нагрузок-деформаций.

Установка для исследования несущей способности горных пород при наложении режимов нагружения (рис. 4).

Стенд «Режим» является рычажным и работает с породами низкой прочности. Образец 1 нагружается двуплечим рычагом 2 с грузами 3, 4. При сбросе груза 3 создается ударная пригрузка, при перемещениях груза 4 вдоль дуги 5 создается одноцикловое или двухцикловое пригружение образца по затухающим циклам. Весь процесс силовой работы образца фиксируется сейсмическими приборами 6 и датчиками нагрузок-деформаций.

Установка для моделирования деформации и разрушения крупногабаритных образцов (рис. 5). Стенд «Монолит» мощностью 150 т работает с образцами 1 размерами 500х500х500 мм, в которых выполняют полости 2, 3, аналогичные выработкам при техногенном внедрении. Деформирование и разрушение образца и его отдельных зон фиксируются приборами фото-, видеосъемок, сейсмическими приборами 4 и типовыми датчиками нагрузокдеформаций.

Заключение

Сотрудники ВНИМИ уже сегодня озабочены проблемами, с которыми столкнется горная практика при достижении глубин свыше 1,5 км. Недавно было установлено экспериментально [12; 13], что на этих глубинах породы приобретают особые свойства, которые выражаются в:

– аномальной хрупкости;

– способности к спонтанному разрушению при низких сдвиговых напряжениях;

– аномально высоком выделении упругой энергии при разрушении.

Эти аномальные свойства вызывают мощные глубинные горные удары (сейсмически не отличимые от землетрясений) в результате создания спонтанных динамических разломов в цельных горных породах, окружающих выработку. Для изучения аномальных запредельных свойств горных пород в условиях больших глубин необходимы нагружающие системы нового поколения. Во ВНИМИ ведутся работы в этом направлении.

Список литературы

1. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Пластичность горных пород. М.: Недра; 1976.

2. Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г., Певзнер Е.Д. Гидропривод к прессу для испытания образцов на прочность. Патент. №785680.

3. Карманский А.Т. Методика исследования горных пород при сложных напряженных состояниях с учетом газового фактора. В кн.: Борьба с горными ударами. Л.: ВНИМИ; 1981. С. 27–30.

4. Лодус Е.В. Влияние скорости деформирования и видов напряженного состояния на запредельные характеристики удароопасных и выбросоопасных горных пород. В кн.: Региональные меры предотвращения горных ударов. Л.: Недра; 1983. С. 35–39.

5. Петухов И.М., Линьков А.М. Механика горных ударов и выбросов. М.: Недра; 1983. 280 с.

6. Ставрогин А.Н., Певзнер Е.Д., Тарасов Б.Г., Ширкес О.А. Универсальная установка для исследования механических и фильтрационных свойств горных пород в условиях сложных напряженных состояний. В кн.: Ставрогин А.Н. (ред.) Физика и механика разрушения горных пород. Фрунзе: Илим; 1983. С. 2–12.

7. Ставрогин А.Н., Протосеня А.Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. М.: Недра; 1992. 224 с.

8. Ставрогин А.Н. Тарасов Б.Г. Экспериментальная физика и механика горных пород. СПб.: Недра; 2001. 342 с.

9. Лодус Е.В. Напряженное состояние и релаксация напряжений в горных породах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1986;(2):3–11. Lodus E.V. The stress state and stress relaxation in rocks. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 1986;(2):3–11. (In Russ.)

10. Ставрогин А.Н., Георгиевский В.С., Лодус Е.В. Влияние атмосферой влажности на ползучесть солевых горных пород. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1975;(1):75–77. Stavrogin A.N., Georgievskii V.S., Lodus E.V. Impact of atmospheric humidity on the creep behaviour of saline rocks. Fiziko-Texhnicheskiye Problemy Razrabbotki Poleznykh Iskopaemykh. 1975;(1):75–77. (In Russ.)

11. Петухов И.М., Лодус Е.В., Линьков А.М. Влияние скорости подачи добычной машины на опасность проявления горных ударов. Безопасность труда в промышленности. 1985;(5):43–46. Петухов И.М., Лодус Е.В., Линьков А.М. Effect of mining machine advance rate on the rock bump hazard. Occupational Safety in Industry. 1985;(5):43–46. (In Russ.)

12. Tarasov B.G. New physics of supersonic ruptures. Deep Underground Science and Engineering. 2023;2(3):207–244. https://doi.org/10.1002/dug2.12050

13. Tarasov B.G. Fan-hinged shear instead of frictional stick–slip as the main and most dangerous mechanism of natural, induced, and volcanic earthquakes in the earth’s crust. Deep Underground Science and Engineering. 2023;2(4):305–336. https://doi.org/10.1002/dug2.12052