CC BY
29
УДК 550.34+622.831
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ КЕРНОВ ПРИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Василий Дмитриевич Барышников
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, зав. лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)205-30-30, доп. 116, e-mail: vbar@misd.ru
Владислав Генрихович Качальский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, e-mail: kwg@ngs.ru
В статье приведено краткое описание программно-технических средств для определения деформационных свойств горных пород при одноосном нагружении образцов керна. Дана оценка точности определения деформационных характеристик на примере образцов доломита, выполнены статистическая обработка и анализ полученных результатов.
Ключевые слова: образец, тензометрическая система, измерительный комплекс, нагрузка, деформация, модуль упругости, коэффициент Пуассона.
ANALYSIS OF ERROR IN LABORATORY EVALUATION OF STRAIN PROPERTIES OF CORE SPECIMENS
Vasiliy D. Baryshnikov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 116, e-mail: vbar@misd.nsc.ru
Vladislav G. Kachalsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Researcher, Mechanical Rock Mass State Diagnostics Laboratory, e-mail: kwg@ngs.ru
The article gives a review on the software and hardware means to determine strain properties of rocks under uniaxial load of core samples. The precision of computed strain characteristic is verified on dolomite specimens. Statistical processing and analysis of the computing data are provided.
Key words: specimen, strain gauge system, measuring system, load, strain, elastic modulus, Poisson's ratio.
В статье приведен анализ результатов лабораторных испытаний деформируемости горных пород по следующим основным показателям:
• модуль упругости (модуль Юнга), являющийся отношением величины напряжения при одноосном сжатии образца керна к его относительной упругой деформации в направлении действия этого напряжения. Для линейно деформируемых материалов модуль упругости является постоянной величиной, не зависящей от величины
напряжения. Таким образом, степень отклонения от линейности при испытании на деформационные свойства может служить характеристикой точности метода определения этой характеристики.
• коэффициент поперечной упругой деформации (коэффициент Пуассона), являющийся отношением упругой деформации в направлении, перпендикулярном приложенной нагрузки, к относительной упругой деформации в направлении, совпадающим с направлением действия напряжения. Поскольку этот коэффициент зависит от двух составляющих деформации образца в процессе нагружения, то его следует так же учитывать при анализе инструментальной погрешности рассматриваемого способа лабораторных испытаний.
Исследование образцов кернов с использованием тензометров на основе микрометров, с наклейкой тензорезисторов на боковые поверхности кернов, наклейкой опорных шайб[2] для последующего крепления измерительных устройств и других подобных приспособлений занимает много времени и не пригодны для оперативного анализа и статистической обработки результатов в полевых условиях. Задача стояла в определении деформационных свойств при испытании большого числа образцов кернов, полученных из однородного массива доломита с использованием пружинного тензометра для получения характеристик статистической устойчивости полученных результатов. Кроме того, исследовались результаты, полученные при многократных циклах «нагружения - разгрузки» образцов кернов (с гладкой боковой поверхностью керна и обеспечением параллельности его торцов). В последнем случае интересовали статистические показатели устойчивости результатов на одном и том же образце.
Для проведения таких испытаний в соответствии с ГОСТ [1] использовалось технологическое оборудование, включающее лабораторный гидравлический пресс с усилием до 300 кН, центрирующее устройство со сферической опорой, пружинный тензометр ДМ-12 конструкции ВНИИМИ (г.С-Петербург), датчика усилия. Сигналы от тензодатчиков, наклеенных на прижимные резиновые пластины тензометра, и от датчика усилия поступают на измерительный блок, содержащий многоканальный высокоточный аналого- цифровой преобразователь и связанный дискретным каналом передачи данных с персональным компьютером. Для автоматизации измерений, оценки качества опыта и оперативной обработки данных разработаны программные средства, обеспечивающие в том числе графическое отображения на экране ПК деформации в режиме реального времени и позволяющие выбрать диапазон нагрузок для последующего вычисления деформационных свойств в процессе наружения и разгрузки образца керна (рис. 1).
До начала проведения лабораторных исследований дана оценка допустимого усилия прижима резиновых пластин с наклеенными тензорезисторами, обеспечивающего за счет трения измерение деформаций боковой поверхности образца, сравнимой с показаниями наклеенных на образец тензорезисторов. На рис.2 приведен график изменений деформаций прижима тензодатчиков в осевом направлении при нагруже-нии керна до 40кН в зависимости от давления резиновых пластин на его боковую поверхность. Полученный результат свидетельствует о том, что при усилии прижима резиновых пластин до давления 0.7 - 0.8 МПа обеспечивается полная передача деформаций керна на прижимной тензорезистор.
Рис. 1. Экранная форма отображения экспериментальных данных при испытании
керна и результатов их обработки:
1 - область ввода границ аппроксимации; 2 - область отображения радиальных деформаций; 3 - область отображения осевых деформаций; 4 - таблица результатов эксперимента, аппроксимирующих значений и оценки погрешности определения показателей
деформационных свойств
График зависимости отн.дефорации от давления
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85
Давление, в МПа
Рис. 2. График зависимости относительной деформации от давления на боковую
поверхность кернов, полученный экспериментально. Показания значения относительной деформации наклеенных на боковую поверхность тезорезисторов при таком же усилии в 40 кН составляет 38,5 ■ 10-6
В качестве иллюстрации опыта применения прижимного тензометра в таблице приведены результаты определения деформационных свойств доломита по керну, отобранному из двух разноориентированных скважин [3]. Полученные результаты и статистическая оценка погрешности их определения показывают, что коэффициент вариации не превышает допустимых значений в 20%.
Таблица
Результаты определения деформационных свойств доломитас применением прижимного тензометра
№ скважины № образца Модуль деформ., ГПа Коэфф. по-переч. деформ. Модуль упругости, ГПа Коэфф. Пуассона Предел прочности, МПа
1 1 23.6 0.22 24.5 0.14 38,1
2 22.6 0.12 23.8 0.13 49,4
3 22.3 0.21 23.2 0.17 45,4
4 25.0 0.19 26.1 0.16 45,3
5 34.2 0.17 35.7 0.18 57,2
Среднее 25.5 0.18 26.7 0.16 47.1
Сред. квад. 4.4 0.03 4.6 0.02 6.9
Вариация,% 17.4 19.0 17.3 11.8 14.8
2 1 23.7 0.25 24.3 0.23 47,0
2 19.5 0.18 21.2 0.18 43,4
3 22.0 0.17 23.2 0.17 45,6
4 23.0 0.16 23.6 0.16 52,3
5 23.4 0.18 25.1 0.18 52,7
6 25.6 0.22 27.1 0.22 68,4
Среднее 24.1 0.2 25.3 0.20 49,53
Сред.квад. 3.7 0.04 3.8 0.03 8,1
Вариация,% 15.4 18.8 15.1 16.7 16.4
Выводы
1. Достоверная оценка деформационных свойств горных пород по образцам керна с применением прижимного тензометра обеспечивается при давлении прижима резиновых пластин с наклеенными тензорезисторами к боковой поверхности керна в пределах 0.7 - 0.8 МПа.
2. Результаты многократных циклических нагружений показали, что погрешность полученных значений модуля упругости и коэффициента Пуассона не превышает 1%, что свидетельствует о равномерном деформировании резиновых пластин с наклеенными тензорезисторами при выбранном усилии прижима.
3. Полученные показатели деформационных свойств доломита по результатам испытаний образцов керна по двум разно ориентированным скважинам близки между собой, а статистические оценки погрешности их определения не превышают допустимого (не более 20%) ГОСТом коэффициента вариации. При этом для надежной оценки деформационных характеристик доломита вполне достаточно испытать не менее 5-6 образцов керна.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.- М.:ИПК Издательство стандартов, 2004.
2. Сукнев С.В. Опыт применения стандарта организации СТО 05282612-001-2013 для определения упругих свойств горных пород. // Proceeding of the International Geomechanics Conference 27 June -01 July 2016, Varna, Bulgaria. Междунар. науч. конф. "Scientific and technical union of mining, geology and metallurgy'Wama, Bulgaria, 27 June-01 July 2016.-C.3-9.
3. Барышников В. Д., Качальский В. Г., Лабораторные испытания деформационных свойств доломита по образцам керна скважин. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. 12 междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. "Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология": сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апр. 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - Т. 3. - С. 36-39.
© В. Д. Барышников, В. Г. Качальский, 2017
