1. Определения

Трехосная испытательная машина для горных пород представляет собой специальную крупномасштабную испытательную систему для измерения механических характеристик горных материалов в условиях трехнаправленного напряжения (т.е. сочетание давления по периметру и осевому давлению). Его основная функция заключается в моделировании условий напряжения « истинной или « ложной трехоси», которые порода испытывает в глубине пласта, чтобы получить прочность, деформацию и разрушительные свойства породы в сложной стрессовой среде.

Это ключевое оборудование для проведения исследований механических свойств горных пород, оценки геологических катастроф, добычи нефти и газа, проектирования подземных работ (например, туннелей, шахт, гидроэлектростанций).

Принцип работы и основной состав

Принцип работы трехосной испытательной машины для горных пород заключается в том, что цилиндрический образец породы одновременно подвергается осевому давлению и боковому давлению с помощью независимой системы загрузки и измеряет его деформационные и прочностные характеристики при этом сложном напряжении.

Стандартная трехосная испытательная машина для горных пород состоит в основном из следующих основных систем:

Рамка хоста: огромная жесткая структура, обеспечивающая поддержку реакции, обеспечивающая стабильную работу при высоком давлении.

Система осевой загрузки:

Роль: давление в вертикальном направлении на образец.

Состав: Точное смещение или управление силой обычно осуществляется сервомотором, шариковым винтом или гидравлическим цилиндром.

Система нагружения под давлением:

Роль: равномерное боковое давление на образец.

Компонент: ядро представляет собой трехосную камеру давления, которая представляет собой высокопрочный контейнер, заполненный гидравлическим маслом или другой передающей средой. Через независимый сервоуправляемый насос в камеру давления вводится жидкость, которая обеспечивает равнонаправленную периферийную нагрузку на образец.

Пористое давление системы:

Роль: (оснащается в усовершенствованных моделях) имитирует давление жидкости в подземной породе и контролирует условия дренажа образца.

Состав: точный гидравлический сервонасос, соединенный трубопроводом с пористостью в верхней и нижней частях образца.

Системы измерения и сбора данных:

Датчик осевой силы: измерение осевой нагрузки, приложенной к образцу.

Датчик осевого смещения (LVDT): измерение общей осевой деформации образца.

Датчик кольцевого смещения или тензодатчик: прикрепляется непосредственно к образцу для точного измерения его радиальной деформации.

Датчик давления пористости: измерение давления жидкости внутри образца.

Прибор сбора данных: высокоскоростной и синхронный сбор сигналов от всех датчиков.

Компьютерная система управления:

Роль: это "мозг" всего устройства. Пользователь устанавливает программу испытаний с помощью программного обеспечения (например, путь напряжения, скорость загрузки), система точно контролирует каждую систему загрузки в соответствии с инструкциями и отображает, записывает и обрабатывает все данные испытаний в режиме реального времени.

3. Основные виды испытаний

В зависимости от условий дренажа и пути загрузки, трехосные испытания породы подразделяются на следующие виды:

Обычные трехосные испытания на сжатие:

Процедура: Сначала на образец накладывается постоянное давление окружения (сигмати = сигматика), затем оно остается неизменным, постоянно увеличивая осевое давление (сигмати) до разрушения образца. Это базовый, часто используемый трехосный тест.

Цель: в основном используется для определения параметров прочности породы на сдвиг (сцепление с и угол внутреннего трения Фи).

Истинное трехосное испытание:

Процедура: три отдельных давления на три основных направления образца (сигма, сигма, сигма, сигма).

Цель: моделирование более сложного реального поля земного напряжения и изучение влияния среднего основного напряжения на прочность и деформационные свойства породы. Оборудование более сложное и дорогостоящее.

Испытание на удлинение по трем осям:

Процесс: осевое напряжение (сигма ₁) меньше, чем окружающее давление (сигма ₁ = сигма ₁), имитирующее состояние напряжения при разрушении при растяжении.

Цель: изучение разрушительных свойств горных пород при низком осевом давлении и высоком осадочном давлении.

Испытание давления поровой воды:

Процедура: На основе обычных трехосных испытаний усиливается контроль и измерение давления воды во внутренних отверстиях образца. Можно разделить на:

Испытание без крепления без дренажа: быстрая загрузка, не допускает сброса поровой воды.

Испытание на крепление без дренажа: сначала пусть образец полностью дрейфует и закрепляется под давлением, а затем без дренажа и сдвига.

Испытание на отвержденный дренаж: весь процесс сдвига позволяет медленно выводить воду, а давление пористости остается постоянным.

Цель: Изучение влияния жидкости на прочность породы, принцип деформации и эффективного напряжения имеет решающее значение для нефтегазовой залежи и гидротехники.

4. Приобретение ключевых механических параметров

Анализируя данные испытаний (обычно осевые напряжения - осевые кривые деформации и радиальные кривые деформации), можно получить следующие ключевые механические параметры горных пород:

Пиковая прочность: максимальное осевое напряжение, которое может выдержать порода.

Остаточная прочность: прочность, которая сохраняется после разрушения породы.

Модуль упругости: отношение напряжения и деформации породы на стадии упругой деформации.

отношение Пуассона: отношение радиальной деформации к абсолютному значению осевой деформации при осевом давлении породы.

Интенсивность сцепления и угол внутреннего трения: по результатам испытаний при различных условиях обжима, полученная путем построения огибающей прочности Мора - Кулона, является основным параметром, характеризующим прочность породы на сдвиг.

* * Угол дилатанси: * * характеризует тенденцию расширения объема породы во время сдвига.

5. Основные области применения

Гражданское строительство и транспортные работы: анализ и проектирование устойчивости фундамента туннелей, подземных пещер, откосов и плотин.

Нефтегазовая промышленность: реконструкция нефтегазовых коллекторов, стабилизация стенок буровых скважин, проектирование гидроразрыва, прогноз выхода песка.

Горнодобывающие работы: проектирование поддержки шахты, оценка стабильности колонны, прогноз взрыва породы.

Развитие геотермальной энергии: оценка механических реакций теплового коллектора.

Предотвращение и ликвидация геологических катастроф: изучение механизмов оползней, оползней, оседаний на земле и мониторинг раннего предупреждения.

Научные исследования: разработка модели механики горных пород, изучение механизма разрушения, моделирование глубинных геологических процессов.

6. Демонстрация оборудования