книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

не превышают максимального линейного размера поперечного се­ чения прибора. Это обстоятельство вызывает, в свою очередь, по­ явление увеличенных деформаций прибора по сравнению с соответ­ ствующими деформациями массива, окружающего прибор за преде­ лами указанной аномальной области деформаций.

При малых габаритах прибора и при достаточном удалении за­ ложенных в модель приборов друг от друга, указанное выше обра­ зование небольших областей аномальных деформаций не нарушает общей картины деформаций массива модели и повышает вместе с тем чувствительность прибора к регистрации деформаций массива.

Для того, чтобы определить значение числового коэффициента, показывающего во сколько раз относительная деформация прибора увеличивается по сравнению с соответствующей деформацией мас­ сива, производится тарировка приборов, заложенных в массив путем создания различных режимов нагружения и сравнения относитель­ ной деформации, зарегистрированной прибором, с относительной деформацией, заданной участку массива, в который заложен при­ бор.

Опыт показывает, что значение указанного переходного коэф­ фициента остается неизменным в широком диапазоне задаваемых деформаций [48, 45].

Непосредственное применение проволочных тензодатчиков, за­ кладываемых в массив модели, с использованием для регистрации деформации модели усилителя ТА—5 и стандартного электронного автоматического потенциометра осуществлялось в работах лабора­ тории ПНИУИ [26, 57]. Использование этого метода может дать положительные результаты в тех случаях, когда жесткость дат­ чика меньше или равна жесткости материала модели. В противном случае деформации по показаниям датчика получаются ниже дей­ ствительных деформаций массива модели.

О ц е н к а н а п р я ж е н н о г о с о с т о я н и я э л е м е н т о в т о л ­ щи п о р о д е натурных условиях является до настоящего времени одной из наименее разработанных задач.

Применение для этой цели различных геофизических методов (сейсмического, ультразвукового, электрометрии и т. д.) находится еще в стадии поисковых экспериментов.

Применение этих методов на моделях из эквивалентных мате­ риалов принципиально возможно, но не имеет пока практического опыта.

Метод разгрузки, оправдавший себя в натурных условиях, мало перспективен в аналогичном исполнении при испытании модели, так как он требует весьма высокой, невыполнимой практически точ­ ности измерения деформаций на весьма малой по размерам базе. Поэтому для оценки напряженного состояния элементов модели из эквивалентных материалов, наиболее пригодным является способ закладки в массив модели при ее изготовлении специальных мало­ габаритных динамометрических приборов.

90

Идеальной конструкцией такого микродинамометра явился бы прибор в форме очень маленького шара, жесткость которого по со­ ответственным направлениям равнялась бы жесткости массива, в которой он заложен, позволяющего регистрировать величины и на­ правления трех главных напряжений, действующих в данной точке, однако, практическое осуществление такого прибора вряд ли воз­ можно.

Поэтому приходится ставить более узкую задачу по созданию приборов, которые могли бы регистрировать давление, действующее в массиве модели только по некоторому задаваемому заранее на­ правлению.

Чтобы такой прибор не вносил существенных искажений в поле напряжений, действующих в массиве моделей, он должен иметь небольшие размеры и плоскую форму. Измерение давлений произ­ водится в направлении; перпендикулярном плоской поверхности прибора. Если такой прибор имеет весьма малую толщину, а жест­ кость его, в направлении измеряемых давлений, равна или больше жесткости массива, то он не будет искажать существенно исследуе­ мое поле напряжений.

Такого типа микродииамометры могут изготовляться из полу­ проводников или из пакета тонких угольных пластинок. [37]. Од­ нако опыт применения такого рода приборов обнаруживает зна­ чительное уменьшение их чувствительности и нестабильный характер показаний приборов при работе их в массиве моделей. ( ,,

Это явление связано с тем, что при большой жесткости прибора малейшие различия в характере взаимодействия прибора с эдфужающим массивом на плоскости, и;х контакта резко изменяют условия ра­

боты прибора.

Для оценки величин давления в мас­ сиве моделей применяются приборы ти­ па деформометров Д—2 [45] (рис. 11) микродинамометроы [3], датчики дав­ лений [21] и др.

Эти приборы могут быть выполне­ ны с жесткостью меньшей, чем жест­ кость окружающего их массива, а это в свою очередь обеспечивает достаточ­ ную чувствительность их показаний и стабильность характера их работы в массиве моделей.

При небольших размерах этих при­ боров и при соблюдении достаточных интервалов между местами установки соседних приборов они не вносят существенных искаже­ ний в исследуемое общее поле напряжений в массиве модели.

91

Перевод измеряемых приборами величин деформаций в величи­ ны давления осуществляется на основании пробных нагрузок перед началом испытания модели, а .также при постепенной разборке массива модели после окончания ее испытания. Полученные при этом характеристики используются для расчета давлений с учетом направления изменения показаний прибора, так как вид связи между ^действующим давлением и деформацией прибора в массиве может тбыть различным при росте и при уменьшении давления.

Если по условиям решаемой на модели задачи в массиве модели будут происходить только процессы ее деформирования без разрыва сплошности, то для учета распределения давлений внутри массива Модели могут быть заложены отдельные слои из упругого материала ^априм ер, вальцмассы) с включенными в такой материал дефор- 'мЬметрами типа Д —2.

Жесткость материала упругого слоя должна быть близка к жест­ кости деформометра, в результате чего исключается образование ^естгйых аномалий поля напряжений вокруг деформометров, а тарировочные характеристики деформометров в упругом слое получают­ ся близкими к линейным и однотипными, как при нагрузке, так и при разгрузке упругого слоя в модели.

Если в процессе испытания модели возникают разрывы сплош­ ности ее массива, то закладка упругих слоев, механическая прочность 1йЙЬрых отличается от требуемых показателей прочности массива ^модели, может сильно исказить механизм изучаемого процесса.

р этом случае приближение к действительному характеру меха­ низма изучаемого процесса может быть достигнуто разрезкой упру­ г о слоя на отдельные небольшие блоки [39].

Для оценки характера распределения давлений массива модели на ее основание, последнее может быть представлено набором от-

й*йующей силовой тарировки секций можно судить о распределе­ нии давлений массива модели на ее основание [29, 64, Козина].

Для более грубой оценки давлений в массиве плоских моделей могут применяться ленточные датчики давлений, основанные на за­ висимости между величиной давления внутри массива модели и уси­ лием, требуемым для вытягивания ленточного датчика [39].

И с с л е д о в а н и е с и л о в ы х и д е ф о р м а ц и о н н ы х х а ­ р а к т е р и с т и к р а б о т ы к р е п и не представляет особых прин­ ципиальных затруднений как в натурных условиях, так и на моделях.

В каждой конструкции крепи может быть выявлена основная механическая схема ее работы в данных условиях. В соответствии с этой схемой основные звенья крепи оборудуются соответствующими динамометрическими и тензометрическими устройствами, позволяю­

92

щими получить характеристику условий взаимодействия звеньев крепи между собой и с окружающими боковыми породами.

В условиях лабораторных исследований на моделях крупных масштабов 1:20 — 1:40 обычно удается выполнить модели крепи так, что они по своим общим габаритам и по схеме взаимодействия звеньев крепи между собой и с боковыми породами воспроизводят достаточно близко основную схему работы действительной крепи в натурных условиях (например, гидравлические стойки малого раз­ мера и т.д.).

Для регистрации усилий и деформаций, возникающих в элементах модели крепи, используются тензометры, манометры, пьезометры, и др. различных типов [93, 73, 23 и др.].

В моделях крупных масштабов подобные измерительные эле­ менты сопрягаются непосредственно с соответствующими звеньями модели крепи. В моделях мелких масштабов эти элементы чаще выносятся в особую механическую систему, которая находится и укрепляется вне модели. Последнее вызывается, главным образом, тем, что габариты выработки в модели позволяют расположить в ней минимальное количество звеньев, осуществляющих обычно лишь функции контактного взаимодействия крепи с боковыми породами. В качестве примера таких конструкций могут быть указаны приборы типа пьезометров и типа МК—1 (рис. 12), применявшихся в лабо­ ратории ВНИМИ, приборы рычажного типа лаборатории ИГД им. А. А. Скочинского и др.

Для измерения давлений, передаваемых на площадь перекрытий крепей, могут применяться динамометры из электропроводной бу­ маги ЭПБ [25].

Опыт показывает, что в моделях достигается, как правило, воз­ можность достаточно полной и точной регистрации всех основных силовых и деформационных показателей крепи. При этом может быть выполнена регистрация более подробная и в более широком диапазоне горнотехнических условий, чем в натурных наблюдениях.

Особенно ценным оказывается использование при этих экспери­ ментах непрерывной автоматической регистрации показаний работы крепи с помощью электронных самопишущих мостов.

Общая программа изготовления и испытаний моделей.

При составлении схемы проектируемой модели, условий ее по­ строения и испытания необходимо соблюдение следующих условий:

1.Соответствие масштаба модели содержанию решаемой задачи.

2.Рациональное сочетание опытов на плоских и объемных мо­

делях, исходя из характера моделируемой механической системы

изадачи решаемой на модели.

3.Соблюдение условий подобия в начальном состоянии моделей.

4.В случае испытаний моделей крупных масштабов с допол­ нительными граничными пригрузками необходимо проведение

93

предварительных опытов на моделях более мелкого масштаба без внешней пригрузки для выявления необходимых условий на грани­ цах проектируемой модели крупного масштаба.

5. Рациональное сочетание и последовательность двух методи­ ческих направлений исследований на моделях, а именно:

моделирование схемы явления со значительным упрощением действительных условий, с частичным выключением ряда действую­ щих факторов, с изменением их значений против значений натуры и т. п;

94

Методические рекомендации по проведению экспериментов на моделях применительно к отдельным типовым конкретным задачам механики горных пород имеются в ряде работ отечественных [35, 46, 64, 39 и др.] и зарубежных авторов [84, 86 и др.].

Особенности моделирования динамических процессов, связанных со взрывом. Моделирование методом эквивалентных материалов мо­ жет быть применено также при решении задач, связанных с разру­ шением горных выработок действием динамических нагрузок, в част­ ности— действием взрыва [83]. Однако, если движение горных пород происходит под действием взрыва заряда ВВ, то возникаю­ щие ускорения уже не равны ускорению силы тяжести. Это при­ водит к следующему выражению, связывающему характеристики К в модели и в натуре, имеющие размерность длины, времени и

Для осуществления подобия процесса разрушения горных пород у свободных поверхностей выработок действием волны напряжений общей длительности 8 сек и временем нарастания напряжений в волне от нуля до 6тах кг/см2 за *Г сек обязательно выполнение следующих соотношений:

(3-11)

Если выдержано подобие по второму из вышеприведенных условий, то соотношение между длинами волн в натуре и в модели также будет удовлетворено и следует обратить внимание на допол­ нительное соотношение:

Существенное влияние на процесс разрушения в рассматривае­ мых условиях оказывает также угол падения волны напряжений на свободную поверхность горной выработки. Это условие удовлет­ воряется равенством углов падения в модели и в натуре, а также равенством коэффициентов Пуассона для материалов модели и на­ туры.

96

изохром на. модели наблюдаются темные полосы, называемые и з о ­ к л и н а м и , представляющие геометрические места точек, в кото­ рых направления главных нормальных напряжений одинаковы и совпадают с направлениями плоскостей поляризации.

По изоклинам строятся траектории главных нормальных напря­ жений — и з о с т а т ы . Изохромы и изоклины дают все необходимые данные для определения напряженного состояния в любой точке модели.

Основной закон фотоупругости (закон Вертгейма), устанавливаю­ щий количественную связь между оптическим эффектом и напря­ жениями, гласит, что для моделей из линейно-упругих оптическичувствительных материалов оптическая разность хода прямопро­ порциональна разности главных нормальных напряжений (удвоен­ ному главному касательному напряжению)

&— толщина модели, см;

—главные нормальные напряжения, кг/см2;

—коэффициент оптической чувствительности материала

ности хода; наиболее употребительные из них: метод сопоставления цветов, метод полос и метод компенсации.

Определение разности хода м е т о д о м с о п о с т а в л е н и я ц в е ­ тов осуществляется непосредственно по цветной картине изохром, полученной при белом свете. При этом сопоставляются цвета изо­ хром с интерференционными цветами эталонных колец Ньютона, для которых составлена таблица разностей хода.

Для определения разности хода м е т о д о м п о л о с необходимо знать порядковый номер полосы в данной точке модели и «цену полосы» материала. Последняя определяется на специальных тарировочных образцах.

Принцип измерения м е т о д о м к о м п е н с а ц и и заключается в добавлении к разности хода лучей, создаваемой моделью, равной по величине и обратной по знаку разности хода, создаваемой спе­ циальным прибором — компенсатором. При этом результирующая разность хода в измеряемой точке равна нулю и наблюдается потемнение.

Наиболее распространенными в настоящее время являются по­ воротные компенсаторы: слюдяной компенсатор Краснова (СКК- 2), кальцитовый компенсатор Берека (КПК—1 и КПК—2). Наилучшие

99