Статья
| Наименование | Получение ниспадающей ветви диаграммы деформирования пород на портативном приборе ППЭИ 5М | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Недропользование | ||||
| Год | 2026 | Выпуск | 86 | Страницы | 5 - 22 |
| УДК | 622.02:620.1 | EDN | DNLHLV | ||
| Аннотация | Получение ниспадающей (постпиковой) ветви диаграммы «напряжение — деформация» горных пород до сих пор остается сложной задачей из-за взрывоподобного разрушения образца при стандартном управлении по нагрузке. Существующие жесткие испытательные машины (MTS, Instron, Stiffman) громоздки и дороги, а портативные приборы примитивны и не позволяют фиксировать запредельное поведение. В работе обоснован новый подход на основе метода прессгазометрии — двухкамерный газовый цилиндр с реверсивным переключением камер, обеспечивающий управляемую разгрузку образца после пика без требований к сверхвысокой жесткости рамы. Приведены основные расчетные соотношения, калибровочные процедуры и требования к портативному прибору ППЭИ 5. Показано, что суммарная погрешность определения деформаций не превышает 5-8 %, что приемлемо для инженерных задач. Результаты создают основу для создания сверхжесткого прибора ППЭИ 1М с интегрированными системами акустической эмиссии, DIC и ультразвукового контроля. | ||||
| Реферат | Цель исследования — теоретически обосновать возможность получения полной диаграммы деформирования горных пород (включая ниспадающую ветвь) с использованием реверсивного режима двухкамерного газоцилиндра, а также разработать требования к портативному прибору ППЭИ 5М как представителю нового класса испытательных систем на основе прессгазометрии.
Объект — процесс запредельного (постпикового) деформирования горных пород при одноосном сжатии и возможность его контролируемой регистрации с помощью двухкамерного газового цилиндра.
Предмет исследований — параметры реверсивного режима работы газоцилиндра (соотношение площадей камер, начальные объемы, алгоритмы управления), а также методика компенсации деформации прибора и калибровки датчиков, обеспечивающие достоверное получение полной диаграммы.
Методика и основные задачи: выполнить темпоральный критический анализ методов и устройств для получения полных диаграмм деформирования горных пород, выявив их основные недостатки; теоретически обосновать необходимость использования двухкамерного газоцилиндра с реверсивным переключением камер для управления постпиковым поведением образца при произвольной жесткости прибора; разработать методику учета собственной деформации прибора и калибровки датчиков давления при реверсивном переключении камер; сформулировать требования к портативному прибору и пути расширения потоков информации при испытании образцов.
Идея исследований — использовать двухкамерный цилиндр для реверсивного управления процессом нагрузки после достижения пика прочности на ниспадающей ветви деформации диаграммы деформирования образца.
Результаты. Рассмотрены, проанализированы и подвергнуты критическому анализу существующие прямые и косвенные методы и приборы для определения полной диаграммы деформирования горных пород. Обосновано, что метод прессгазометрии (двухкамерный газовый цилиндр, закон Бойля — Мариотта) позволяет за счет реверсивного переключения камер управляемо проходить постпиковую область, фиксируя ниспадающую ветвь даже на легком портативном приборе. Разработана математическая модель реверсивного нагружения и предложена простая калибровочная процедура учета собственной деформации прибора. Сформулированы требования к прибору ППЭИ 5М: работа от мини-баллона со сжатым газом, реверсивный режим, калибровка жесткости, автоматическая передача данных на смартфон. Целевая себестоимость комплекта менее 100-150 $. Научная новизна. Впервые обоснован новый подход на основе метода прессгазометрии — двухкамерный газовый цилиндр с реверсивным переключением камер, обеспечивающий управляемую разгрузку образца после пика без требований к сверхвысокой жесткости рамы. Практическая значимость. Предложенное решение открывает новое направление в испытательной технике — использование газодинамического управления нагрузкой на образец вместо громоздких гидравлики или механических передач. Это позволяет создавать легкие, дешевые и доступные устройства для массового оперативного испытания на месте отбора проб, что особенно важно для геологоразведки, горного дела и всех видов строительства. |
||||
| Ключевые слова | горные породы, физико-механические свойства, экспресс испытания, портативные приборы. прессгазометрия, сжатый газ, методика испытаний, конструкция, диаграмма испытаний, модуль упругости. | ||||
| Финансирование | |||||
| Благодарности | |||||
| Список источников |
1. Studies of cosmic ray neutrino interactions in the Kolar Gold Field experiment / M. G. K. Menon [et al.] // Proceedings of the Royal Society A. 1967. Vol. 301. No. 1465. P. 137–157. DOI: 10.1098/rspa.1967.0197
2. Malliga S. Source Location of Rock Burst in the Mines of Kolar Gold Fields // International Journal of Science and Research (IJSR). 2015. Vol. 4. Iss. 9. P. 1925–1929.
3. Скуфьин П. К. Полувековой юбилей Кольской сверхглубокой буровой скважины СГ-3 // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 9. С. 159–176. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_9_0_159 EDN MJTOPB
4. Кирсанов А. К., Вохмин С. А., Бархатов Д. В. Оценка рисков при подготовке к разработке месторождения на глубоких горизонтах (на примере шахты «Глубокая» рудника «Скалистый») // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2025. № 1. С. 66–77. EDN ZNMPQT
5. Implication of Different Types of Post-peak Behaviour in Lateral Direction on Failure of Class II Rocks in Uniaxial Compression / H. Wang [et al.] // Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. 2023. P. 173–181. DOI: 10.1007/978-3-031-22213-9_18
6. Rummel F., Fairhurst C. Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine // Rock Mechanics. 1970. Vol. 2. Iss. 4. P. 189–204. DOI: 10.1007/bf01245574 EDN RDJIUP
7. Peng S. S. Time-dependent aspects of rock behavior as measured by a servocontrolled hydraulic testing machine // Elsevier BV. 1973. Vol. 10. Iss. 3. P. 235–246. DOI: 10.1016/0148-9062(73)90033-8
8. Сукнёв С. В., Фёдоров С. П. Методы определения упругих свойств горных пород // Наука и образование. 2014. № 1 (73). С. 18–24. EDN SKAKHT
9. Литвинский Г. Г. Разработка конструкции портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 9 (83). С. 5–23. EDN BFOWKW
10. Литвинский Г. Г. Прессгазометрия как метод определения механических свойств горных пород и каменных материалов // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 10 (84). С. 5–22. EDN GWFHMV
11. Cook N. G. W., Hodgson K. Some detailed stress-strain curves for rock // Journal of Geophysical Research. 1965. Vol. 70. No. 12. P. 2883–2888. DOI: 10.1029/JZ070i012p02883
12. Brady B. H. G., Brown E. T. Rock Mechanics for Underground Mining. 3rd ed. Dordrecht: Springer, 2006. 646 p.
13. Bieniawski Z. T. Mechanism of brittle fracture of rock: Part I — theory of the fracture process // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1967. Vol. 4. No. 4. P. 395–406. DOI: 10.1016/0148-9062(67)90030-7
14. Hoek E., Brown E. T. Empirical strength criterion for rock masses // Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1980. Vol. 106. No. SM9. P. 1013–1035.
15. Ставрогин А. Н. Схема жесткого пресса // Методы определения запредельных характеристик горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1970. С. 45–52.
16. Ставрогин А. Н., Георгиевский В. С. Каталог механических свойств горных пород. Л.: ВНИМИ, 1972. 267 с.
17. Hoek E., Brown E. T. Empirical Strength Criterion for Rock Masses // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1980. Vol. 106. No. GT9. P. 1013–1035.
18. Bandis S. C., Lumsden A. C., Barton N. R. Fundamentals of rock joint deformation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1983. Vol. 20. No. 6. P. 249–268. DOI: 10.1016/0148-9062(83)90595-8
19. Mogi K. Experimental Rock Mechanics. London: Taylor & Francis, 2007. 360 p.
20. Розанов Б. В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959. 428 с.
21. Hudson J. A., Brown E. T., Fairhurst C. Optimizing the control of rock failure in servo-controlled laboratory tests // Rock Mechanics. 1971. Vol. 3. No. 4. P. 217–224. DOI: 10.1007/BF01238181 EDN BYGLID
22. Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Пластичность горных пород. M.: Недра, 1979. 301 с.
23. Rummel F., Fairhurst C. Determination of the post-failure behavior of brittle rock using a servo-controlled testing machine // Rock Mechanics. 1970. Vol. 2. No. 4. P. 189–204. EDN RDJIUP
24. Deng R., Fu X., Xu J. Development of triaxial and pore testing system for MTS uniaxial rock testing machine // Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2002. Vol. 21. No. 6. P. 892–896.
25. Okubo S., Nishimatsu Y., He C. A testing method controlling the combination of load and displacement // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1994. Vol. 31. No. 3. P. 279–283.
26. Cai M. Post-peak Deformation Behaviors of Brittle Hard Rocks // Civil Engineering Departmental Seminar, HKUST, 2024.
27. Литвинский Г. Г. Экспресс-измерение коэффициента Пуассона горных пород мини-датчиками Холла // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2026. № 11 (85). С. 5–17. EDN SWEUNL
28. Лузина Н. П. Анализ результатов контроля технических изделий методом акустической эмиссии // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 3 (73). С. 78–83. EDN NRAJXR
29. Лавров А. В., Шкуратник В. Л., Филимонов Ю. Л. Акустоэмиссионный эффект памяти в горных породах. М.: Изд-во Московского горного университета, 2004. 451 с. EDN SDSUPF
30. Acoustic Emission Testing: Basics for Research — Applications in Civil Engineering / Eds. by C. U. Grosse, M. Ohtsu. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. 404 p. DOI: 10.1007/978-3-540-69972-9
31. Ishida T., Labuz J. F. Microcracking in Rock as Acoustic Emission. CRC Press, 2025/2026. 190 p.
32. Sutton M. A., Orteu J. J., Schreier H. W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Springer, 2009. 322 p.
33. Digital Image Correlation / M. Bornert [et al.] // Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 23. No. 4. P. 205–218.
|
||||
| Полный текст |
|
||||