CC BY
66
УДК 622
Ю.В. Осипов, А.Е. Кошелев
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Рассмотрены различные методы измерения деформаций в процессе испытания образцов горных пород, приведены различные виды датчиков с их достоинствами и недостатками. Большое применение нашли тензорезисторы, непосредственно приклеиваемые на образец, которые позволяют без погрешностей системы и аппаратуры измерять сами деформации горной породы. Но из-за возможности механических повреждений датчиков в любой момент испытания, больших затрат на их приобретение, особенно при массовых испытаниях, появилась задача в создании датчиков для измерения как продольных, так и поперечных деформаций с высокой надежностью, с такой же степенью чувствительности, что и сами тензорезисторы. Приведено сравнение датчика для измерения продольных деформаций, разработанного в ООО «Газпром геотехнологии» с иностранным, потенциометрическим датчиком. Приведен сравнительный анализ, представлены конкретные результаты определения деформационных характеристик каменной соли с применением новых датчиков.
Ключевые слова: деформации, горная порода, датчик, тензорезистор, чувствительность, линейный размер зерен, тарировка.
Еще до недавнего времени измерять деформации в лабораторных условиях на образцах горных пород было трудной задачей, т.к. не было ни регистрирующей, ни измеряющей аппаратуры, которая бы позволяла с достаточной степенью чувствительности (разрешающей способностью) регистрировать деформации горной породы в процессе испытания. При испытаниях, например, по определению деформационных характеристик на одноосное сжатие использовались индикаторы часового типа ИЧ-25, ИЧ-50, которые позволяли регистрировать продольные деформации, но и при использовании индикаторов существовала погрешность измерения из-за конструкции измерительной системы, т.к. индикатор не касается самого образца
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-68-75
горной породы, что вынуждало проводить дополнительные вычисления для учета «паразитарных» деформаций.
В России для определения деформационных характеристик горных пород используется ГОСТ 28985-91 «Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии».
В настоящее время для измерения деформаций образцов в лабораторных условиях применяются различные датчики, такие как:
• тензометрические — принцип работы тензорезистивного датчика заключается в том, что под действием растягивающего или сжимающего усилия, которое меняет геометрические характеристики проводника (длину, диаметр проволоки), изменяется его электрическое сопротив-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 11. С. 68-75. © Ю.В. Осипов, А.Е. Кошелев. 2017.
Таблица 1
Виды датчиков. Их достоинства и недостатки
Виды датчиков Достоинства Недостатки
Тензо- метрические простые по конструкции; имеют линейную статическую характеристику; малый вес; высокая чувствительность, 10-5—10-6 мкм; возможность пропустить большой ток; высокая точность подвержены влиянию влаги и температуры; в основном такие датчики одноразовые; хрупкость
Потенциометрические простота конструкции; малые габариты и вес; чувствительность 0,01 — 0,001 мм; высокая степень линейности статических характеристик; стабильность характеристик; возможность работы на переменном и постоянном токе наличие шумов; наличие скользящего контакта, что приводит к ограниченному количеству рабочих циклов датчика; значительная механическая нагрузка (трение)
Индуктивные простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов; возможность подключения к источникам промышленной частоты; значительная чувствительность, 0,005—0,001 мм; индуктивные датчики используются на относительно низких частотах (до 3000—5000 Гц), так как на высоких частотах резко растут потери в стали на перемагничивание и вихревые токи точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте; возможна работа только на переменном токе
Волоконно-оптические высокая точность; нечувствительность к ЭМ-излучению; долговечность; чувствительность зависит от конкретного оптического датчика; надежность техническая сложность электронно-оптических компонентов; относительно высокая цена
ление. Это изменение можно замерить и сопоставить со степенью деформации датчика, которая, в свою очередь, может быть сопоставлена со степенью деформации исследуемого образца;
• потенциометрические — предназначены для преобразования механического перемещения в электрический сигнал. Основной частью датчика является реостат, сопротивление которого изменяется при перемещении движка, скользящего по проволоке;
• индуктивные — принцип действия индуктивных датчиков основан на из-
менении индуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник. Измеряемое механическое перемещение на входе датчика вызывает изменение параметров его магнитной и электрической цепей, что в свою очередь вызывает изменение выходной величины — электрического тока;
• волоконно-оптические датчики деформации (ВОДД), которые постепенно вытесняют резистивные, механические и прочие виды датчиков деформации,
роС8
1ср°°°и
э а
о £1 □ £3
-0,006 -0,004 -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 Поперечные деформации еЗ Продольные деформации Ет
Рис. 1. Полная диаграмма деформирования образца № 30 Мозырьской площади, скважина 16э
в первую очередь в приложениях, где необходима повышенная точность и долговечность. Датчики деформации данного класса обычно принадлежат к одному из двух основных типов:
— ВОДД на решетках Брэгга;
— ВОДД на интерферометре Фабри-Перро.
В табл. 1, приведены основные достоинства и недостатки вышеперечисленных датчиков.
Чувствительность тензорезисторов составляет 10-5—10-6 мкм. Это говорит о том, что из всех рассматриваемых датчиков, тензорезисторы являются самыми чувствительными к изменению деформаций. Плюс данного метода измерения деформаций заключается также в том, что тензорезистор клеется непосредственно на сам образец, что не привносит никаких дополнительных деформаций (погрешности) от системы. Но есть один большой недостаток, тензорезисторы, приклеенные на образец, одноразовые и могут порваться в любой момент в процессе испытания из-за роста трещин в образце, скола и т.п., что делает процесс испытания образца непредсказуемым. На рис. 1 представлена полная диаграм-
ма деформирования образца № 30 Мозырьской площади, скважина 16э, где видно, что тензорезистор, отвечающий за измерение поперечных деформаций, порвался в процессе испытания.
ООО «Газпром геотехнологии» в испытательном лабораторном центре (ИЛЦ) проводились испытания на образцах каменной соли Восточно-Сибирских месторождений, где необходимо измерять деформации. Было испытано свыше 700 образцов. Измерение деформаций с помощью тензорезисторов сделало бы проведение таких испытаний проблематичными и из-за возможности повреждения датчиков в любой момент испытания и ввиду их высокой стоимости. Еще одним важным моментом в измерении деформаций с помощью тензорезисторов является то, что база измерения тензорезистора должна быть не менее 15 мм и должна превышать линейный размер зерен (неоднородностей), слагающих образец, не менее чем в 10 раз. На образцах каменной соли мы убедились, что 15 мм не хватает, чтобы охватить 10 линейных размеров зерен образца, ввиду его структурно-текстурных особенностей, т.к. диаметр образца варьи-
Рис. 2. Фотография кернового материала соляных горных пород
руется от 30 мм до 80 мм, высота 60 мм до 160 мм. На рис. 2 приведена фотография кернового материала, на которой видно, что керн сильно отличается по структуре и текстуре в разных его частях и измерение деформаций образца тензорезисторами, не охватывающими все структурные неоднородности такого материала, отрицательно сказывается на результате эксперимента.
Это поставило перед нами задачу разработки новых датчиков или модернизации существующих, которые обладали
бы такой же степенью чувствительности как тензорезисторы, были бы надежными (минимально 15—20 испытаний), позволяли бы испытывать большее количество образцов и охватывали бы больше 10 структурных неоднородностей образца.
Были разработаны датчики, которые позволяют измерять как продольные, так и поперечные деформации образцов горной породы: кольцевые без съемной базы, кольцевые с возможностью замены базы, игольчатые датчики. На рис. 3—5 показаны эти датчики.
В целях сопоставления показаний разработанных датчиков с показаниями тензорезисторов, приклеенных на образец, и вообще с различными типами датчиков, которые продают различные организации, были приклеены тензорезисторы на металлический образец с известными свойствами и протариро-ваны на прессе. Игольчатые датчики, в процессе тарировки, крепились на тот же металлический образец с приклеен-
Рис. 4. Кольцевой датчик со съемной базой Рис. 5. Игольчатый датчик
Рис. 6. Металлический образец с приклеенными тензорезисторами и закрепленными на нем игольчатыми датчиками
ными тензорезисторами, как показано на рис. 6. На рис. 7 показано сравнение результатов двух способов измерения деформаций.
Как видно из рис. 7, уравнение аппроксимации приклеенных тензорези-сторов на металлический образец имеет вид е1 = 0,0078—3,5417Е-5 • х, а у
игольчатого датчика Е1тт = 0,0078— —3,5252Е-5 • х, что практически идентично предыдущему уравнению. На рис. 8 видно, что чувствительность игольчатого датчика Е1 несколько уступает чувствительности самого тензорезистора е1, непосредственно приклеенного на металлический образец. Эта погреш-
Таблица 2
Средние значения деформационных характеристик образцов каменной соли Восточно-Сибирского месторождения
Модуль упругости Еу, МПа Коэффициент Пуассона м, дол. ед.
Среднее арифметическое 25 490 0,31
Стандартное отклонение 4332 0,1
Коэффициент вариации, % 17,0 23
Рис. 7. Зависимости деформаций от времени металлического образца с приклеенными тензорезисторами е1 и с тензорезисторами, приклеенными на игольчатый датчик Е1
е1 = 0,0078-3,5417Е-5*х Е1 = 0,0078-3,5252Е-5*х
Время
256 260 264 268
Рис. 8. Сравнение чувствительности металлического образца е1 с приклеенными тензорезисто-рами с игольчатым датчиком Е1
ность изменяется в интервале от 10-5 до 2 • 10-5, что полностью соответствует нашим требованиям для испытания образцов горных пород.
В табл. 2 показаны средние значения деформационных характеристик образцов каменной соли Восточно-Сибирского месторождения. Всего было испытано 336 образцов каменной соли.
На рис. 9 и 10 представлены тариро-вочные зависмости игольчатого датчика, отвечающего за измерние продольных деформаций и кольцевого датчика со съемной базой, отвещающего за измерение поперечных дефорамций.
В ИЛЦ, помимо собственных разработок, активно используются и сторонние датчики. Например, на рис. 11, показан участок реологического процесса образца 11-6 Мозырьской площади, скважина 21э, где приведено сравнение потенциометрического датчика фирмы GEFRAN PZ-12-S-050 и индикатора часового типа ИЧ-50 с приклеенными на него тензорезисторами.
Как видно из рис. 11, потенциометри-ческий датчик (Е1-2(6^г^)) описывает характер поведения образца также, как и индикатор часового типа ИЧ-50 (Е1-1(6^г^)). Ступеньки, которые мы
11.2
га
§ 1,0
|о,8
Тарировочная зависимость у = -0,7218 + 0,0435"х Коэффициент корелляции к = 0,9999
Изменение базы измерения, мм
15 20 25 30 35 40 45
Рис. 9. Тарировочная зависимость игольчатого датчика
Тарировочная зависимость у = 10,7666 + 12,6888*х
Коэффициент корепляции
к = 0,9998
Изменение измерения,
базы
Рис. 10. Тарировочная зависимость кольцевого датчика со съемной базой
наблюдаем на графике, говорят о том, что потенциометрическому датчику не хватает чувствительности для того, чтобы в полной мере зарегистрировать деформации образца.
Все вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что ГОСТ на определение деформационных характеристик, по которому мы работаем, требует обнов-
ления. Клеить тензорезисторы на образцы экономически не выгодно, особенно когда проводятся массовые испытания. Разработка собственных датчиков позволила существенно уменьшить затраты на приобретение тензорезисторов, проводить большое количество испытаний и увеличило производительность работы.
Рис. 11. Сравнение потенциометрического датчика и индикатора часового типа ИЧ-50 с приклеенными на него тензорезисторами
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ СССР. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии / ГОСТ 28985-91. Комитет стандартизации и метрологии СССР. — М.: Изд-во стандартов, 1991. — 15 с.
2. Ильницкая Е. И. Тедер Р. И., Ватолин Е. С., Кунтыш М. Ф. Свойства горных пород и методы их определения. — М.: Недра, 1969. — 392 с.
3. Карташов Ю.М., Матвеев Б.В., Михеев Г.В., Фадеев А.Б. Прочность и деформируемость горных пород. — М.: Недра, 1979. — 269 с. 1»тш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Осипов Юханна Владимирович1 — научный сотрудник, e-mail: [email protected], Кошелев Александр Евгеньевич1 — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected], 1 ООО «Газпром геотехнологии».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 11, pp. 68-75.
UDC 622
Yu.V. Osipov, A.E. Koshelev
MODERN APPROACHES TO DETERMINING DEFORMATION CHARACTERISTICS OF ROCKS
The article describes the various methods for determining the deformations in the test process, are the different types of sensors with their advantages and disadvantages. Much use is made of strain gauges, bonded directly to the sample, which allows error-free system and apparatus to measure themselves rock deformation. But because of the possibility of mechanical damage to the sensors at any point in the test, the big expenses on their acquisition, especially in mass tests, there was a challenge in creating sensors to measure both longitudinal and transversal deformation with high reliability, with the same degree of sensitivity, and the strain gages. The comparison of the sensor for measuring the longitudinal strain developed in LLC «Gazprom Geotechnology» foreign, potentio-metric sensor. The comparative analysis presented specific results of determination of deformation characteristics of rock salt with the use of new sensors.
Key words: deformation, rock, sensor, strain gauge, sensitivity, linear grain size, calibration.
DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-68-75
AUTHORS
Osipov Yu.V.1, Researcher, e-mail: [email protected], Koshelev A.E1, Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: [email protected], 1 LLC «Gazprom Geotechnology», Moscow, Russia.
REFERENCES
1. GOST SSSR. Porody gornye. Metod opredeleniya deformatsionnykh kharakteristik pri odnoos-nom szhatii. GOST 28985-91. Komitet standartizatsii i metrologii SSSR (State Standart USSR. Rocks. Method of determination of deformation characteristics under uniaxial compression. State Standart 28985-91. The Committee of standardization and Metrology of the USSR), Moscow, Izd-vo standartov, 1991, 15 p.
2. Il'nitskaya E. I. Teder R. I., Vatolin E. S., Kuntysh M. F. Svoystva gornykh porod i metody ikh opredeleniya (Properties of rocks and methods of their definition), Moscow, Nedra, 1969, 392 p.
3. Kartashov Yu. M., Matveev B. V., Mikheev G. V., Fadeev A. B. Prochnost' i deformiruemost' gornykh porod (Strength and deformability of rocks), Moscow, Nedra, 1979, 269 p.
