Моделювання на еквівалентних матеріалах

Моделювання на еквівалентних матеріалах дозволяє не тільки встановити закономірності порушення стійкості укосів, але й спостерігати процес зрушення.

Залежно від модельованих порід склад еквівалентних матеріалів різний, є відмінності також у технології й методиці їхнього готування.

Еквівалентні матеріали для моделювання твердих гірських порід (I група) складаються з інертного матеріалу (кварцовий пісок, мелена слюда, тальк, крейда або глина) і цементуючого (гіпс і парафін). У якості інертних найбільше поширення одержали суміші піску й крейди або піску й слюди.

Діаграма механічних характеристик сумішей зцементованих гіпсом для визначення: I — кількості компонентів; II – ; III – ; IV – .

Тальк як найбільш дефіцитний матеріал застосовується значно рідше.

Як сполучний матеріал широко розповсюджений технічний парафін. Маючи низку температурою плавлення (42-54°С), великою однорідністю й здатністю обволікати частки інертного заповнювача, він є зручним цементуючим компонентом. Крім того, його застосування забезпечує зручність укочення шарів моделі, незмінність міцностних характеристик матеріалу в часі й можливість повторного використання матеріалу після відпрацьовування моделі. Разом з тим парафінові суміші в окремих випадках можуть мати занижені модулі пружності й завищені пластичні властивості проти розрахункових. У таких випадках більше підходящим сполучним компонентом є гіпс.

Еквивалентні матеріали, що імітують міцні породи, підбираються по опорі їхньому стиску й вигину. Методика цих випробувань і прилади аналогічні описаними в главі I. За результатами випробувань будуються трикутні діаграми Гиббса-Розебома. В основі побудови цих діаграм лежать властивості рівносторонніх трикутників: сума довжин перпендикулярів, опущених з будь-якої крапки усередині трикутника на його сторони, дорівнює його висоті.

Склад трикомпонентної суміші зображується однією крапкою, що лежить усередині трикутника. Довжини перпендикулярів, опущених із цієї крапки на сторони трикутника, відповідають процентному вмісту окремих компонентів суміші, якщо висоту трикутника дорівняти 100%. Склади трикомпонентної суміші зображуються крапками, що лежать усередині трикутника; двухкомпонентнї - крапками на відповідних сторонах трикутника; однокомпонентні представлені вершинами трикутника. У зв'язку із цим всі крапки, що лежать на прямій, паралельної однієї зі сторін трикутника, відповідають сумішам з постійним змістом того компонента, що відповідає протилежній вершині трикутника.

На малюнках наведені діаграми деяких складів сумішей. Незаштрихована область діаграм є «робочою» областю, що включає придатні для моделювання твердих гірських порід суміші. Заштриховані області відповідають рідкій і розсипчастій консистенціям суміші, що непридатна для моделювання.

Якщо нам необхідно вибрати склад еквівалентного матеріалу для моделювання конкретних порід, по характері їхньої деформації попередньо вибирається сполучний компонент. Потім, прийнявши орієнтовно об'ємну вагу еквівалентного матеріалу, по формулах (98) і (99) визначаємо його міцностні характеристики. Після цього на трикутних діаграмах знаходять крапку, що відповідає отриманим характеристикам. Опустивши із цієї крапки перпендикуляри на кожну сторону трикутника, по їхній довжині визначають зміст компонентів суміші.

До еквівалентних матеріалів, що імітують м'які гірські породи, пред'являються наступні вимоги:

Діаграма механічних характеристик сумішей, зцементованих парафіном:

а) – склад суміші: пісок-парафін-слюда; 1 – визначення кількості компонентів; II – визначення ; III – визначення ; IV – визначення ; б) – склад суміші: пісок–парафін–міл; I – визначення кількості компонентів; II – визначення ; III – визначення ; IV – визначення .

1. Компоненти матеріалу повинні забезпечувати стабільність механічних характеристик у часі при незначних коливаннях температури й вологості.

2. Компоненти матеріалу повинні забезпечувати різний характер деформації, аналогічний породам у натурі, а при зміні їхнього кількісного складу - зміна властивостей у заданих межах.

3. Простота й зручність виготовлення.

4. Невелика вартість готування еквівалентних матеріалів.

Як інертний матеріал найбільш підходящим є пісок. Його застосування забезпечує невелику вартість і простоту виготовлення еквівалентного матеріалу.

Зміна в'язкості єднальних матеріалів залежно від температури: 1 - трансформаторне масло; 2 - веретенне; 3 - веретенне -3; 4 - автол.

До недоліків цього компонента варто віднести більшу зернистість, що спотворює подобу при моделюванні тонкодисперсних глинистих порід, а також невеликі коливання об'ємної ваги, що утрудняє моделювання в межах однієї моделі значно, що розрізняються по об'ємній вазі порід. Для зміни об'ємної ваги інертного матеріалу можна рекомендувати додавання сталевого або свинцевого дробу.

Більше тверді вимоги пред'являються до сполучного матеріалу. Насамперед, він повинен протягом тривалого часу забезпечувати сталість як обсягу, так і властивостей еквівалентних матеріалів, тобто повинен містити мінімальна кількість летучих. Все це визначає використання як сполучний компонент технічних мастил і змащень.

Основною властивістю технічних мастил і змащень, що обумовлюють властивості еквівалентного матеріалу, є їхня в'язкість. Зміна в'язкості різних сполучних матеріалів представлене на мал.

Як видно із графіка, найбільшою в'язкістю володіє автол, а найменшої - трансформаторне масло. Більше грузлі матеріали застосовуються звичайно при виготовленні міцних матеріалів і навпаки.

На вибір сполучного матеріалу великий вплив робить також характер зміни його в'язкості від зміни температури, оскільки в лабораторних умовах перепад температур досягає 10°С и більше. Найбільш стійкою в'язкістю при підвищенні температури від 15 до 30°С володіє трансформаторне масло.

При постановці широких досліджень на моделях з еквівалентних матеріалів необхідно враховувати й вартість придбання сполучних компонентів (табл. 14.4).

Таблиця 14.4.

Вартість 1 т різних масел і змащень (руб.)

Трансформаторне масло	Веретенне–2 масло	Технічний вазелін	Солідол жирний	Автол АС–6	Дизмасло ДП–8	Солярне масло
64,8	48,0	72,0	208,0	81,0	120,8	29,2

Аналіз технічних мастил і змащень по всім перерахованим вище вимогах показує, що найбільш задовільними є трансформаторне й веретенне масла.

Застосування цих масел надає еквівалентному матеріалу тендітне руйнування, властиве суглинкам і четвертинним глинам. Технічний вазелін й автол визначають пластичні деформації, характерні для третинних глин.

Властивості еквівалентного матеріалу залежать в основному від його щільності, тому її зміна необхідно враховувати при підборі матеріалу. При цьому надходять у такий спосіб.

Задавшись масштабом моделювання, визначають навантаження від власної ваги моделі:

де — висота моделі.

Це навантаження є мінімально можливої як ущільнююча при готуванні еквівалентного матеріалу,

що дозволяє виключити вплив ваги матеріалу моделі на його властивості.

Приготовлена в певнім співвідношенні суміш піску й сполучного матеріалу ущільнюється за допомогою рівномірно розподіленого статичного навантаження або за допомогою ковзанки.

Після стабілізації осідання або певного числа прокаток проводять випробування матеріалу на зріз. Ущільнююче навантаження й співвідношення компонентів в еквівалентному матеріалі змінюють доти, поки не будуть отримані необхідні властивості. Випробування проводять у срезних приладах великої площі або безпосередньо в моделі по методу натурних випробувань. Опір матеріалу відриву визначають шляхом обвалення виділеного стовпчика під дією сили власної ваги при зміні його висоти, вона дорівнює:

де – глибина підрізування в момент обвалення; – висота стовпчика в момент обвалення.

Звичайно при проведенні експериментальних досліджень проводять велика кількість випробувань еквівалентних матеріалів різного складу й при моделюванні конкретних порід вибирають найбільш підходящий склад. Після закачування в модель виконують контрольне визначення властивостей еквівалентного матеріалу. Відхилення певних характеристик на 10% від розрахункових уважається припустимим. Властивості деяких еквівалентних матеріалів для моделювання м'яких гірських порід наведені в табл14.5.

Для готування еквівалентного матеріалу застосовують спеціальні змішувальні установки. Якщо сполучні компоненти грузлі, то змішувальні установки обладнаються спіралями для підігріву.

Залежно від розв'язуваних завдань застосовуються плоскі або об'ємні стенди.

До плоских стендів для моделювання механічних процесів при відкритій розробці пред'являється ряд специфічних вимог. Конструкція стендів повинна забезпечувати: вільний доступ до моделі по всій висоті на кожній стадії її відпрацьовування, зручне закачування моделі по висоті, можливість формування укосу в процесі закачування й зручне спостереження за процесом деформації.

Таблиця 14.5.

Фізико-механічні характеристики еквівалентних матеріалів

Фізико-механічні властивості	Склад еквівалентних матеріалів
Пісок (0,25 мм) – 92%; солідол – 5% графить – 3%	Пісок (0,5 мм) -95%; трансформаторне масло - 5%	Пісок (0,25 мм) – 97%; автол – 3%	Пісок (0,5 мм) – 92 %; трансформаторне масло – 5%, графить – 3%	Пісок (0,5 мм) – 92%; солідол – 5%; графить – 3%	Пісок (0,25 мм) – 97%; трансформаторне масло –3%	Пісок (0,5 мм) – 94%; трансформаторне масло – 6%	Пісок (0,5 мм) – 97%; трансфоматорне масло – 3%
При 10 прокатках   γ г/см^3     с, Г/см^2	1,42	1,608	1,68	1,43	1,46	1,59	1,42	-
9,8-13,7	5,3-8,6	5,0-7,0	8,0-12,0	6,0-8,0	6,8-9,0	3,0-4,6	-
При 20 прокатках   γ г/см^3     с, Г/см^2	1,51	1,64	1,75	-	-	1,63	-	1,55
9,9-14,0	6,8-10,3	6,0-7,5	-	-	7,7-10,0	-	9,0-12,5

Примітка: Закачування здійснюється через прокладку ковзанкою з питомим тиском 420 м/см²; у дужках показана крупность зерен.

Для виконання цих вимог при моделюванні міцних гірських порід застосовується сбірно-разбірна опалубка. Після схоплювання суміші опалубка розбирається, і проводяться дослідження. Стенди можуть бути неповоротними й поворотними.

При моделюванні м'яких гірських порід опалубка зберігається на весь період дослідження. У зв'язку із цим застосовується плоский стенд, що представляє собою зварену конструкцію зі швелера № 20 розмірами 2,5×1,6×0,2 м. Задня стінка стенда виконана з листового заліза. Як тильна опалубка застосовується суцільне скло, лицьова опалубка представлена смугами скла шириною 20 см. Застосовувана конструкція лицьової опалубки забезпечує зручність закачування моделі по висоті й дозволяє зміщати смуги скла на необхідну відстань. Це забезпечує вільний доступ до моделі на весь період дослідження й мінімальний обсяг робіт по закачуванню. З метою зменшення бічного тертя між моделлю й опалубкою засипається незначної товщини шар слюди або графіту.

Іноді застосовують плоскі моделі без суцільної опалубки. Для збереження стійкості моделі в процесі її закачування заставляються металеві стрижні, постачені по кінцях шайбами. Ці шайби забезпечують стійкість моделі, однак у процесі зрушення вони можуть спотворювати його характер і внести істотні погрішності.

Об'ємні стенди виконуються з металу, а їхні розміри визначаються розв'язуваними завданнями. Особливих вимог до конструкції не пред'являється, оскільки початкові й граничні умови тут виконуються значно простіше.

Для закачування матеріалу застосовуються порожні ковзанки, що дозволяють шляхом засипання в них дробу міняти їхній питомий тиск на 1 див ширини. Закачування виробляється через прокладку, що виключає появу в моделі ділянок з підвищеним ущільненням матеріалу. Після закачування шаруючи його поверхня розпушується грабельками для поліпшення зв'язку з наступним шаром. На розпушену поверхню засипається чергова порція матеріалу, розрівнюється спеціальними гладилками й через прокладку закочується ковзанкою.

Імітація слабких контактів у міцних моделях здійснюється шляхом посипання контактів меленою слюдою або закачуванням шаруючи на нерозпушену поверхню попередні. Тріщинуватість створюється шляхом надрізів матеріалу в остиглій моделі.

Слабкі контакти при моделюванні м'яких гірських порід створюються шляхом закладки в модель скла, листової слюди або шляхом змащення поверхні солідолом. Міцностні характеристики контакту визначаються шляхом випробування матеріалу моделі з урахуванням ослаблення.

Для забезпечення більшої наочності процесу зрушення окремі шари моделі офарблюються в різні кольори.

Деформації моделі фіксуються за допомогою вимірів по реперах або фото- і кінозйомкою з наступною розшифровкою відбитків.

При моделюванні на еквівалентних матеріалах відомі спроби визначити напружений стан масиву за допомогою датчиків спеціальної конструкції, що закладають у модель у процесі її закачування. Порівняно більші розміри цих датчиків обурюють поля напруг у прилягаючій до них області, що вносить значні погрішності у виміри. У зв'язку із цим визначення напруженого стану в моделях з еквівалентних матеріалів знаходить обмежене застосування.

Моделювання на еквівалентних матеріалах міцно ввійшло в практику дослідження зрушення укосів і з його допомогою вирішений ряд важливих завдань.

При складних гірничо-геологічних умовах залягання моделювання на еквівалентних матеріалах є єдиним шляхом рішення завдань стійкості уступів і найбільш представницьким методом для перевірки справедливості розрахункових схем стійкості уступів.

Уперше залежність між кутом укосу уступу й кривизною борта в плані встановлена шляхом обробки результатів моделювання.

Дата добавления: 2014-10-22