Статья
| Наименование | Прессгазометрия как метод определения механических свойств горных пород и каменных материалов | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Недропользование | ||||
| Год | 2025 | Выпуск | 84 | Страницы | 5 - 22 |
| УДК | 624.131.43 | EDN | GWFHMV | ||
| Аннотация | Создание новых методов и приборов по испытанию горных пород и каменных материалов — одна из актуальных задач горной геомеханики. В статье предложена и обоснована новая методика испытания горных пород — прессгазометрия, разработан портативный прибор ППЭИ-5 для ее осуществления. Дан критический анализ существующих прямых и косвенных методов и приборов для определения свойств пород. Показано, что они непригодны для применения в портативных приборах. Изложена сущность новой методики испытаний пород — прессгазометрии. Обоснована новая конструкция портативного прибора экспресс-испытаний пород ППЭИ-5, где впервые используется сжатый газ из мини-баллона. Непрерывный поток данных при нагружении образцов фиксирует интеллектуальный цифровой мини-манометр с поддержкой HART-протокола. Прибор ППЭИ-5 на основе прессгазометрии, имея размеры 80×80×110 мм и массу 3,4 кг, полностью отвечает требованиям портативности и применения в полевых условиях, превосходит по своим показателям существующие отечественные и зарубежные аналоги и будет востребован во многих сырьедобывающих отраслях промышленности и лабораториях вузов. | ||||
| Реферат | Цель исследования — обосновать, разработать и определить параметры нового метода и устройства, основанного на прессгазометрии для измерения деформаций и упругих свойств пород на портативном приборе экспресс-испытаний ППЭИ.
Объект — сущность и параметры нового метода прессгазометрии для определения физико-механических свойств горных пород и каменных материалов.
Предмет исследований — обоснование методики и конструктивных решений реализации метода прессгазометрии на базе портативного прибора для экспресс-испытаний ППЭИ-5.
Методика и основные задачи: разработать комплекс последовательных операций по фиксации изменения давлений в замкнутых объемах газа, разделенных в одном двухкамерном цилиндре движущимся поршнем, с целью определения его смещений для изучения механического поведения горных пород и измерения их деформационных и прочностных параметров.
Идея исследований — создание нового метода прессгазометрии и устройства для определения при сжатии образов на прессе деформаций горных пород на основе использования газового закона Бойля —Мариотта.
Результаты. Рассмотрены, проанализированы и подвергнуты критическому анализу существующие прямые и косвенные методы и приборы для определения механических свойств горных пород и грунтов. Установлено, что известные методы непригодны для применения в портативных приборах. Теоретически обоснован и конструктивно оформлен новый метод испытаний пород — прессгазометрия — как комплекс последовательных операций по изменению давлений и смещений двух разделенных поршнем в одном двухкамерном цилиндре замкнутых объемов газа с целью непрерывного измерения и фиксации деформационных и прочностных параметров горных пород и каменных материалов. Разработана новая конструкция прибора для экспресс-испытаний пород ППЭИ-5, в котором путем использования новой конструкции силового блока с источником высокого давления газа впервые реализован метод прессгазометрии. Он полностью отвечает требованиям портативности и применения в полевых условиях, в том числе и на месте производства работ. Предложена новая методика проведения испытаний цилиндрических образцов и непрерывного построения восходящей ветви диаграммы нагружения σ-ε. Прибор ППЭИ-5 имеет минимальные массово-габаритные характеристики: размеры 80×80×110 мм, массу 3,4 кг. В нем используются мини-баллон газа (емкостью 0,5 л, массой 0,67 кг и давлением до 30 МПа) и два мини-сенсора давления точных измерений (диаметром 4,5 мм, высотой 3 мм с кабелем диаметром 1,3 мм). Научная новизна. Впервые в приборе ППЭИ-5 в качестве рабочей среды применен газ под высоким давлением из мини-баллона. Обоснован и разработан новый метод прессгазометрии для определения механических свойств горных пород. Практическая значимость. Метод прессгазометрии и прибор ППЭИ-5 могут стать основным средством определения физико-механических свойств горных пород и найти широкое применение в геологии, нефтяной, горной, строительной и других отраслях промышленности, а также в лабораториях вузов. |
||||
| Ключевые слова | горные породы, физико-механические свойства, экспресс испытания, портативные приборы, прессгазометрия, сжатый газ, методика испытаний, конструкция, диаграмма испытаний, модуль упругости. | ||||
| Финансирование | |||||
| Список источников |
1. ГОСТ Р 53709-2009. Скважины нефтяные и газовые. Геофизические исследования и работы в скважинах. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2010. URL: https://www.ruscable.ru/info/snip/Data1/58/58861/index.htm.
2. Russia Did Most Oil Drilling in Decade Even as Sanctions Hit [Electronic resource] // Bloomberg: [website]. [2025]. URL: https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-02-14/russia-did-most-oil-drilling-in-a-decade-even-as-sanctions-hit?srnd=premium-europe.
3. Литвинский Г. Г. Разработка конструкции портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 8 (82). С. 5–23. EDN BFOWKW
4. Olsen C., Christensen H. F., Fabricius I. L. Static and dynamic Young’s moduli of chalk from the north sea // Geophysics. 2008. Vol. 73. Iss. 2. P. E41–E50. DOI: 10.1190/1.2821819
5. Comparison of geomechanical upscaling methods for prediction of elastic modulus of heterogeneous media // F. Sadeghpour [et al.] // Geoenergy Science and Engineering. 2024. Vol. 239. Art. 212915. DOI: 10.1016/j.geoen.2024.212915 EDN NLAAPQ
6. Сукнёв С. В., Фёдоров С. П. Методы определения упругих свойств горных пород // Наука и образование. 2014. № 1 (73). С. 18–24. EDN SKAKHT
7. Кулагина М. А., Рычков Б. А., Степанова Ю. Ю. Определение упругих констант горных пород» // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. 2019. Т. 23. № 2. С. 284–303. DOI: 10.14498/vsgtu1595 EDN DGEMVN
8. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии // Комитет стандартизации и метрологии СССР. М.: Изд-во стандартов, 1991. 15 с.
9. Рекомендации по комплексу методов определения механических свойств горных пород (для инженерных расчетов горного давления). Л.: ВНИМИ, 1980. 105 с.
10. ГОСТ 19912-2001. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М.: ГУП ЦПП, 2001. 23 с.
11. Осипов Ю. В., Кошелев А. Е. Современные способы определения деформационных свойств горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 11. С. 68–75. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-68-75 EDN YKWAZP
12. Вознесенский А. С. Системы контроля геомеханических процессов. М.: Горная книга (МГГУ), 2002. 152 с. EDN SDSUZZ
13. Developing a relationship between static Young’s modulus and seismic parameters / J. Sharifi, M. Nooraiepour, M. Amiri, N. H. Mondol // J. Pet. Explor. Prod. Technol. 2023. Vol. 13. No. 1. P. 203–218. DOI: 10.1007/s13202-022-01546-6 EDN ZSHLDA
14. Khimulia V. V. Experimental Methods for Studying the Mechanical Properties of Rocks // Processes in GeoMedia / ed. by T. Chaplina. Springer, Cham, 2023. Vol. VI. Р. 295–304. DOI: 10.1007/978-3-031-16575-7_29
15. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. 3-е изд., стер. СПб.: Лань, 2007. 481 с.
16. Тимошенко С. П., Гудьер Д. Теория упругости. М.: Наука, 1979. 560 с.
17. Paterson M. S., Wong T. Experimental Rock Deformation — The Brittle Field. Berlin: Springer, 2005. 347 p. DOI: 10.1007/b137431 EDN SSVOOT
18. Kachanov M. On the Effective Elastic Properties of Cracked Solids — Editor’s Comments // Int. J. Fract. 2007. Vol. 146. No. 4. Р. 295–299. DOI: 10.1007/s10704-007-9170-6 EDN TMPKRR
19. Zhang J. C., Zhou S. H., Xu S. H., Fang L. G. Evolution of the elastic properties of a bedded argillite damaged in cyclic triaxial tests // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2013. Vol. 58. Р. 103–110. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2012.09.008
20. Неразрушающий контроль: справочник: в 7 т. / под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль / И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
21. Propagation of Rayleigh waves on curved surfaces / S. Zhang, L. Qin, X. Li, C. M. Kube // Wave Motion. 2020. Vol. 94. Art. 102517. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2020.102517 EDN YYBNJQ
22. Литвинский Г. Г. Разработка конструкции портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. Вып. 10 (83). С. 5–23. EDN BFOWKW
23. Цифровой манометр ЦМ300 [Электронный ресурс] // Теплоприбор-РФ: [сайт]. [2025]. URL: https://теплоприбор.рф/catalog/tsifrovoj-manometr-tsm300.
24. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / под ред. Н. В. Мельникова, М. М. Протодьяконова, В. В. Ржевского. М.: Недра, 1975. 279 с.
25. Ставрогин А. Н., Георгиевский В. С. Каталог механических свойств горных пород. Л.: ВНИМИ, 1972. 267 с.
|
||||
| Полный текст |
|
||||