Главная | Новости | Аналитика | Служба поддержки | Контакты | О нас

ПАРТНЕРЫ Научно-исследовательские институты Горнодобывающие предприятия Учебные заведения Общественные организации СОТРУДНИЧЕСТВО Исследовательское Региональные Красный горняк Трудовая слава Рабочее слово Горняцкий вестник Сбор промышленных данных ГМК: достижения, проблемы и перспективы развития Обзор научных источников Подбор методов исследования Школа подземной разработки Уран Издание совместных публикаций Методички Информационное Журналы Учебники Авторефераты

СОБЫТИЯ


образовательные

научные производственные

КОНКУРСЫ


гранты стипендии премии награды

призы программы обмены студии

тренинги стажировки летние школы

ФОТОГАЛЕРЕИ


научно-образовательные и горнодобывающие центры Украины

КОНТАКТЫ


koordinator_rudana
analitik_rudana
tehnolog_rudana
consultant_ua
gemmolog_rudana
innovacii_rudana
filolog_rudana
secretar_rudana


ПРОГРАММЫ

ССЫЛКИ


?????????????-?????????????? ????? «Seminar»

Главная   

Образовательно-научно-производственный портал «Рудана»

Реализация лабораторных опытов

О.Е. Хоменко

автор: Олег Хоменко

Смотри в оба!

Метод эквивалентных материалов применяется для исследования вопросов, связанных с проявлением горного давления в очистных и подготовительных выработках при разработке месторождений полезных ископаемых; в подземных капитальных выработках; при изучении вопросов пучения пород, сдвижения массивов и других физических процессов, происходящих в массиве в связи с проведением в нем горных работ. Изучение всех этих вопросов аналитическим методом и непосредственно на практике связано с большими трудностями, поэтому использование метода моделирования имеет здесь большое теоретическое и практическое значение. Сущность метода эквивалентных материалов заключается в том, что на физических моделях с известными допущениями и при соблюдении условий подобия изучаются интересующие нас физические процессы и результаты этих исследований используются для разработки теории «механизма» процесса, а также для разработки практических рекомендаций для промышленности. В основе метода лежит теория механического подобия Ньютона, которая предполагает геометрическое, кинематическое и динамическое подобия.

 

Модель должна представлять копию уменьшенного геологического разреза пород в натуре на всю глубину от поверхности земли до места заложения выработки. В тех случаях, если на модели в силу недостаточных размеров ее невозможно представить все пласты пород, на модели воспроизводят только несколько слоев непосредственно над выработкой, а вес остальных пластов пород моделируется исходя из условий с помощью специальной пригрузки модели сверху. В качестве исходных материалов для модели применяют кварцевый песок, молотую слюду, тальк, мел, глину, а также вяжущие вещества – гипс, парафин, вазелин, которые должны отвечать определенным требованиям. Например, песок должен быть чистым, без глинистых включений, с размерами зерен от 0,20 до 0,12 мм для мелкомасштабных моделей и от 0,85 до 0,30 мм для крупномасштабных моделей. Парафин может употребляться технический с температурой плавления 42…54°С.

 

При моделировании методом эквивалентных материалов необходимо вести измерения: абсолютных смещений отдельных точек модели; деформаций элементов модели. Принцип измерения абсолютных смещений точки заключается в том, что смещение подвижной точки регистрируется неподвижным микроскопом в пределах его шкалы. Разность начального и последующего отсчетов по шкале дает величину абсолютного смещения точки. Измерение абсолютных смещений производится методом фотофиксации, основанной на том, что поверхность модели с установленными на ней марками систематически фотографируется. Одновременно с поверхностью модели фотографируются и неподвижные шкалы. Измерение смещений точек модели относительно неподвижных шкал производится по маркам на компараторах путем сравнения двух фотопластинок.

 

Принцип измерения деформаций элементов модели состоит в том, что с помощью двух спаренных шкаловых микроскопов наблюдается смещение одной точки модели относительно другой, то есть деформация участка модели. Возможно применение метода фотофиксации, но при достаточно крупном масштабе фотоснимков. Значительно проще деформации элементов модели измеряются с помощью индикаторов часового типа. Весьма удобным в работе, обеспечивающим высокую степень точности, является метод измерений смещений и деформаций модели. Первоначально на листе плексигласа с помощью иглы наносится квадратная сетка (может быть любая другая сетка), в углах которой высверливаются отверстия. Такой лист устанавливается на стенде и через отверстия в листе на модели делаются отметки. Затем лист снимают. В отмеченных местах модели закрепляют маячки. После этого лист снова устанавливают на стенде с таким расчетом, чтобы его поверхность не касалась модели, а маячки точно совпали с отверстиями на листе. В ходе опытов с помощью шкалового микроскопа ведутся замеры отклонений маячков от отверстий на листе плексигласа, по которым и судят о величине деформации элементов модели.

 

Для определения напряженного состояния элементов модели и измерения давления в массиве модели также применяют угольные микродинамометры. Измерение давления угольным микродинамометром основано на изменении контактного сопротивления между двумя угольными пластинками под действием сжимающих усилий. Пластинки выполняются из угольных мембран телефонных аппаратов диаметром 48 мм. Одна из поверхностей пластинки омедняется и к ней припаивается проводник. Чистыми поверхностями две пластинки склеиваются между собой. Клей наносится по краям пластинок. После просушки пластинки тарируются – подвергаются нагрузке ступенями от 50 до 300 г/см2 и при этом измеряется сопротивление прибора по мостовой схеме. После того как пластины будут заложены в модель, по замеряемым сопротивлениям можно будет судить о величине давлений в модели, а следовательно, после пересчета по соответствующим формулам и в натуре.

 

Метод центробежного моделирования, так же как и метод эквивалентных материалов, в основном применяют для изучения вопросов, связанных с проявлением горного давления и, в частности, для исследования устойчивости подземных сооружений и другого. Метод заключается в том, что при соблюдении геометрического подобия исследуемой области в натуре изготовляют модель, которую затем помещают на центрифуге и под действием центробежных сил в модели создается механическое подобие сил, действующих в натуре. Размеры модели в основном определяются техническими возможностями центрифугирующих установок. В связи с этим практическая сторона вопроса значительно осложняется. При работе с мелкими моделями, для которых вопрос создания соответствующих центрифуг решается сравнительно просто, возникают непреодолимые трудности соблюдения геометрического подобия структуры породы, ее слоистости и так далее, а также весьма затруднительно проведение замеров и измерений отдельных параметров в модели. При работе с крупными моделями возникают значительные трудности в создании необходимых конструкций центрифуг. В силу этих обстоятельств метод центробежного моделирования в чистом виде не нашел широкого применения в практике. Зачастую метод центробежного моделирования используется в сочетании с методом эквивалентных материалов и методом фотоупругости. Применение таких комбинаций открывает для метода более широкие перспективы.

 

Для соблюдения условия подобия необходимо, чтобы различные точки модели, расположенные на одной линии по радиусу, вращались с различной угловой скоростью в соответствии с расстоянием их от оси вращения, что практически не осуществимо. В связи с этим при центробежном моделировании имеют место некоторое допущение и отступление от идеальных условий моделирования. Как показала практика проведения экспериментов, влияние этих допущений на точность моделирования будет минимальным, если размеры модели незначительны по сравнению с радиусом вращения R. Поэтому необходимо строить или очень малую модель, или очень большую центрифугу. Но уменьшение модели имеет свои пределы, определяемые точностью способов изготовления модели, однородностью употребляемых материалов и чувствительностью измерительной аппаратуры. Исходя из практических соображений и имеющегося опыта считают, что наиболее реальные размеры радиуса вращения центрифуги R лежат в пределах от 2 до 3 м.

 

Из этих соображений считают, что центробежное моделирование годится в основном для исследования статических или почти статических задач распределения напряжений и деформаций. Для случая быстрого течения деформаций и обрушения обнажений модели могут давать значительные искажения, а потому данный метод не может быть рекомендован. Центрифуги бывают большие и малые. Большие центрифуги устанавливаются в специальных подвальных помещениях и имеют радиус подвески модели 2…3 м от оси вращения, малые центрифуги ставятся в защитных ограждениях и имеют радиус подвески модели до 1 м от оси вращения. Для подготовки модели необходимо иметь геологическую колонку по вертикали в месте заложения выработки и набор проб пород по отдельным слоям. В дальнейшем, в соответствии с геометрическим масштабом, каретка центробежной машины слоями снизу вверх загружается материалом. Каждый его слой уплотняется до естественного состояния с помощью вибраторов или центробежными силами. После уплотнения каждого слоя в отдельности всю систему подвергают уплотнению центробежными силами. При этом время уплотнения устанавливается в зависимости от геометрического масштаба модели. В среднем при геометрическом масштабе подобия от 1:50 до 1:100 можно считать вполне достаточным время уплотнения грунта в моделях в пределах 10…15 ч. После уплотнения в модели вырезается выработку. При работе центрифуги в течение нескольких минут, что соответствует нескольким месяцам в натуре, производится замер деформаций по микрометру и бокового давления материала на динамометрах. После полного нагружения модели центрифугирование продолжается в течение, например, 10, 15, 20 и 50 мин. Для перехода к натуре необходимо измеренную осадку модели умножить на линейный масштаб моделирования.

 

Оптико-поляризационный метод или метод фотоупругости, применяют при изучении напряжений в конструкциях, в машинах, в сооружениях и их деталях. В последнее время оптический метод исследования стали широко применять при изучении распределения напряжений вокруг горных выработок и при исследовании процесса разрушения горных пород буровым инструментом. Для изучения напряженного состояния пород вокруг выработки изготавливают модель из оптически активного материала с соблюдением условий геометрического и силового подобия. Через модель пропускают луч поляризованного света, и на экране получают поле напряжений в виде линий различных цветов и оттенков. На основании этого судят о качественной характеристике поля напряжений, о направлении векторов напряжений, о концентрации напряжений и о точках или районах, наиболее опасных с точки зрения устойчивости или прочности обнажения. Метод объемной фотоупругости также применяют и для исследования статической работы подземных сооружений. В круг таких задач входит исследование напряженного состояния горного массива вокруг вертикальных и горизонтальных выработок, пройденных в слоистых породах с наклонным залеганием пластов и различными физико-механическими свойствами, исследование распределения напряжений в сопряжениях различных выработок, определение напряжений в обделках и массиве при переменном сечении выработок небольшой протяженности и так далее.

 

Луч, проходя через поляризатор, приобретает только вертикальные колебания и падает на образец, повернутый на угол а к горизонтальной оси. В результате напряженного состояния образца поляризованный свет, преломляясь, распадается на два луча. Колебания лучей идут в плоскостях главных напряжений. В результате преломления в зависимости от напряженности образца лучи приобретают разные скорости распространения. Пройдя образец, лучи падают на анализатор, ориентированный так, что он пропускает только колебания, перпендикулярные плоскости поляризации поляризатора. Но так как после образца лучи вследствие разной скорости распространения получили некоторую разность хода, то и после анализатора получим разность хода между горизонтальными составляющими колебаний. Таким образом, при исследовании образца или модели на поляризационной установке получают значение в области упругих деформаций, поле напряжений, а следовательно, определяют область пониженных и повышенных напряжений. Изучение напряжений на объемных моделях основано на методе «замораживания» напряжений (деформаций) и методе рассеянного света. Первый метод, в котором предусматривается использование обычных поляризационных установок, нашел более широкое применение. Второй требует специального оптического оборудования, промышленное изготовление которого еще не налажено.

 

При методе рассеянного света нагруженная модель помещается в иммерсионную жидкость и просвечивается тонкой полоской плоско-поляризованного монохроматического света большой яркости, который, проходя через модель, освещает рассматриваемую плоскость внутри модели. В просвечиваемом сечении при наблюдении со стороны, перпендикулярной плоскости сечения, видна картина полос интерференции света, связанных с коэффициентом преломления, а следовательно, и с деформацией в каждой точке модели. При изучении напряжений в массиве вокруг пройденной выработки для выявления критериев и констант подобия необходимо исходить из условия динамического подобия. Однако моделирование динамических процессов на оптически активных моделях связано с большими трудностями. Поэтому при исследованиях на моделях динамические силы заменяются статическим эквивалентным нагружением, что в первом приближении допустимо. В конечном итоге модель должна отвечать условиям геометрического, силового и статического подобия.

 

Для оптического исследования применяют прозрачные изотропные материалы, которые под действием внешних сил, дают двойное преломление света. К таким материалам относятся стекло, целлулоид, бакелит, висхомлит, ксилолит и другие. Для горных плоских задач большое применение получили модели из материала на желатинно-глицериновой основе, обладающие высокой оптической чувствительностью и работающие, как и горные породы, под действием объемных сил. Материал изготовляют на водном растворе желатина, в который в подогретом состоянии вводятся глицерин и бетанафтол. Соотношения этих материалов подбираются в зависимости от требуемых на основании подобия модуля упругости объемного веса и оптического коэффициента напряжений. После варки такой смеси при температуре 80…90°С в течение нескольких часов материал остывает до температуры 40…50°С. В таком состоянии его заливают в тонстостенную стеклянную ванну и дают остыть до комнатной температуры. После этого материал осторожно отделяют от стекла. Боковые поверхности модели и стекло смазывают глицерином для снятия трения. В модели вырезают в соответствии с геометрическим подобием отверстия, имитирующие горные выработки, и затем ванны снова собирают и ставят на подвижной стол поляризационной установки для исследований. Ванна состоит из двойной деревянной рамы, связанной в единое целое болтами. В каждой раме имеются пазы, в которые вставляют толстостенное стекло. Для обеспечения большого всестороннего давления и для задания неравномерной нагрузки на модель в ванне монтируют резиновые камеры, в которые нагнетают воздух до определенного давления, в соответствии с требованиями подобия. Качество материала модели зависит от соблюдения режима варки. Контроль и определение модуля упругости приготовленного материала производятся на тарировочном прессе в поле поляризационного света над кубиками модели размерами 2x2x2 см.

 

Также модели изготавливают из различных полимеров на основе эпоксидных смол марок ЭД-6, ЭД-5 и Э-40. При комнатной температуре эпоксидные смолы представляют собой жидкость желтого или светло-коричневого цвета. Отвердение смолы ЭД-6 проводится с помощью малеинового ангидрида, который берется в количестве 20…40% от веса смолы. Для приготовления модели смолу и ангидрид нагревают, соответственно до 70…80 и 50°С, а затем смешивают. Тщательно перемешанные смеси заливают в специальные формы-модели, также подогретые до 60…70°С. После этого формы переносят в термостаты для полимеризации материала модели. Нагревание модели производят до температуры 120…130° С. Качество материала модели во многом зависит от режима нагревания. Поэтому нагревание модели следует вести равномерно с постепенным повышением температуры, чтобы исключить возникновение местных напряжений. С этой целью термостаты оборудуют электронагревателями и вентилятором. Скорость полимеризации регулируется температурой в термостате так, чтобы температура внутри отливки нарастала плавно и не переходила верхнюю границу 130°С. После полимеризации, модель отжигают для снятия остаточных напряжений. Максимальная температура отжига должна быть примерно на 5…10°С выше максимальной температуры полимеризации.

 

Контроль и определение параметров материала модели производят на образцах также в термостатах, которые позволяют создавать требуемое нагружение. Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона материала производят в результате измерения деформаций при помощи механического тензометра на образцах в виде растягиваемой полосы. Получение разномодульного материала в небольших пределах (в 1…2 раза) достигается путем изменения содержания малеинового ангидрида. Большой диапазон изменения модуля упругости, может быть достигнут при добавлении в первоначальную смесь дибутилфталата, при этом тепловой режим при полимеризации остается без изменения. После изготовления плоскую модель устанавливают на пути лучей поляризованного света и при включенной в работу поляризационной установке на экране анализатора наблюдают поле распределения цветов, соответствующих касательным напряжениям. При увеличении нагрузки картина распределения цветов на экране изменяется до определенных значений в зависимости от угла сдвига фаз, а затем снова повторяется в том же порядке. Так происходит несколько раз. Следовательно, картина цветных полос может быть первого, второго, третьего и четвертого порядка. При этом порядок полос прямо пропорционален увеличению касательных напряжений. Характер распределения цветов и их изменение под нагрузкой могут быть сфотографированы отдельными кадрами, сняты с помощью киноаппаратуры или просто вырисованы тушью на кальку с указанием цветов и порядка полос.

 

Для построения поля главных нормальных напряжений первоначально строят поле изоклин при повороте поляризатора-анализатора от нуля до 90° по отношению к осям образца или модели. Углы поворота поляризатора-анализатора фиксируют. Поле изоклин снимают теми же способами, что и линии равных касательных напряжений. После этого на основании изоклин вычерчивают поле главных нормальных напряжений. Оптические измерения при исследовании объемного напряженного состояния могут быть произведены методом прямого и косого просвечивания. При прямом просвечивании для каждого опыта изготавливают три аналогичных модели, которые затем разрезают на пластинки, параллельные координатным плоскостям. Пластинки просвечивают параллельным пучком поляризационного света по нормали к ним, так же как при плоских моделях.

Что? Где? Когда?

ЗАТЕМ  РЕАЛИЗУЮТСЯ  ПРОМЫШЛЕННЫЕ  ЭКСПЕРИМЕНТЫ

ПОРТАЛ  ЛАБОРАТОРНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Поиск по порталу
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам страниц
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам и телу страниц
Новости

07.11.12
Пополнение библиотеки портала «Рудана»
Вышло из печати новое учебное пособие (Физико-химическая геотехнология / Н.М. Табаченко, А.Б. Владыко, О.Е. Хоменко, Д.В. Мальцев – Д.: НГУ, 2012. – 310 с.). Рецензентами выступили М.С. Четверик, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор, заведующий отделом геомеханических основ разработки месторождений ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины и В.В. Цариковский, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом подземных горных работ и геомеханики ГП «Научно-исследовательский горнорудный институт».


Аналитика

М. Переяславец
Ученые все еще надеются, что их услышат
Недавно состоялись традиционные VII Академические чтения памяти профессора Виталия Стрихи (1931-1999), выдающегося украинского ученого-физика и педагога, инициатора создания и первого президента АН высшей школы Украины. На протяжении минувших лет эти чтения стали одним из заметных форумов университетской науки, которые позволяют составить представление о приоритетных проблемах, над решением которых сегодня работают украинские ученые.

Ответы на Ваши вопросы
Будьте в курсе всех новинок портала
Подпишитесь на рассылку
E-mail:
  Подписаться
Сообщить о неточностях
на сайте

 

?????????????? ??????????
???????????? «?????? ???????»

Контактные лица по проекту:

Олег, e-mail: koordin@rudana.in.ua

Наталья, e-mail: romah-v@mail.ru

Page Rank Icon Rambler's Top100
Дизайн и поддержка: http://inter-biz.info/
Программирование: Пуляев Ю.А.