Спосіб визначення міцності зчеплення порід

Способ определения прочности сцепле ния пород, преимущественно образцов по род с поверхностью горного оборудования, включающий измерение влажности породы и класса шероховатости поверхности горно го оборудования, прижатие к образцу поро ды сменного штампа, рабочая поверхность которого соответствует по величине шерохо ватости и материалу рабочей поверхности оборудования и определение усилия отрыва образца породы от штампа, по которому судят о прочности сцепления, отличающийс я тем, что образец породы размещают в герметичной камере на эластичной прокладке, устанавливают над образцом с зазором штамп, связанный с механизмом его перемещения, перед прижатием штампа к образцу создают в камере избыточное давление газообразной среды не менее, чем в три раза превышающее атмосферное, после прижатия штампа к образцу и образования контактной зоны поднимают штамп с прилипшим образцом над дном камеры и снижают в камере давление среды до момента отрыва образца от штампа, а усилие отрыва определяют по разности первоначального избыточного давления в камере и давления, при котором происходит отрыв образца от штампа. Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения свойств полезных ископаемых. Известен способ определения прочности сцепления покрытий с пористой подложкой [1], заключающийся в предварительном создании одинакового избыточного давления с обеих сторон подложки и выдержки подложки до выравнивания давления по всей ее толщине. Перепад давления создают путем снижения давления со стороны покрытия. Избыточное давление выбирают большим когезионного разрушения подложки. О прочности сцепления судят по величине перепада давле ния воздуха по разные стороны подложки в момент отрыва покрытия. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает достоверность сцепления покрытия с подложкой, т.к. он основан на когезионном разрушении покрытия. При этом на покрытие непосредственно оказывают механическое воздействие через отверстия в подложке, например, давлением какой-либо среды или, как уже известно, подвижными штырями. При мягких покрытиях, например, глина, тонкоизмельченные породы, избыточное давление, проходя через отверстие в подложке, прорывает глину только O ел О з 6571 в местах отверстий, не отрывая ее на остальных участках Наиболее близким техническим решением выбранным в качестве прототипа является способ определения прочности сцепления по- 5 род, преимущественно образцов пород с поверхностью горного оборудования [2], включающей измерение влажности породы и класса шероховатости поверхности горного оборудования, прижатие к образцу породы 10 сменного штампа, рабочая поверхность которого соответствует по величине шероховатости и материалу рабочей поверхности оборудования, и определение усилия отрыва образца породы от штампа, по которому 15 судят о прочности сцепления, Измерение производят при помощи оптического микроскопа длины, ширины и глубины пор на поверхности породы и определяют объем пор. Силу отрыва породы от рабочей поверхно- 20 сти оборудования находят по формуле. Недостатками прототипа является невозможность обеспечения образования равенства давлений в полостях между поверхностями штампа и испытуемой породы 25 и окружающей средой, что не дает возможности сохранить первоначальную влажность и липкость породы, а следовательно экспериментальное определение усилия отрыва образцов будет не точным, что снижает точность 30 определения их сцепления. Известным способом решение задачи по изобретению трудоемко и снижает точность определения сцепления, т.к. необходимо определять средний объем пор 35 поверхности породы, заключающийся в измерении длины, ширины и глубины каждой поры на поверхности породы. Кроме того, силу отрыва породы от рабочей поверхности оборудования необходимо находить по оп- 40 ределенной формуле. Задачей изобретения является разработка способа определения прочности сцепления пород, в котором путем обеспечения возможности образования равенства давле- 45 ний в полостях между поверхностями штампа и испытуемой среды и окружающей-средой сохраняется первоначальная влажность и липкость породы, что позволяет экспериментально измерить усилие отрыва 50 штампа от породы и обеспечить повышение точности определения их сцепления. Использование изобретения позволяет испытать твердые материалы, не нарушая их поверхность; образцы горной породы при 55 измерении их сцепления с твердыми материалами не теряют исходной влажности, что сохраняет свойство липкости породы, обеспечивая достоверность данных измерения, сокращает сроки проведения измерений, а также повышает производительность и точность при определении точности сцепления за счет экспериментального, (а не расчетного по прототипу) определения отрыва, величину которого определяют по разности первоначального избыточного давления в камере и давления, при котором происходит отрыв образца от штампа. Поставленная задача решается тем, что в способе определения прочности сцепления пород, преимущественно образцов пород с поверхностью горного оборудования, включающем измерение влажности породы и класса шероховатости поверхности горного оборудования, прижатие к образцу породы сменного штампа, рабочая поверхность которого соответствует по величине шероховатости и материалу рабочей поверхности оборудования и определение усилия отрыва образца породы от штампа, по которому судят о прочности сцепления, согласно изобретению образец породы размещают в герметичной камере нв эластичной прокладке, устанавливают над образцом с зазором штамп, связанный с механизмом его перемещения, перед прижатием штампа к образцу создают в камере избыточное давление газообразной среды, не менее, чем в три раза превышающее атмосферное, после прижатия штампа к образцу и образования контактной зоны, поднимают штамп с прилипшим образцом над дном камеры и снижают в камере давление среды до момента отрыва образца от штампа, а усилие отрыва определяют по разности первоначального избыточного давления в камере и давления, при котором происходит отрыв образца от штампа. Благодаря совокупности перечисленных выше известных и новых существенных признаков стало возможным выравнивание давлений в контактной зоне штампа и образца породы, что приводит к рассоединению слипшихся образцов штампа и породы. j Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 показана камера, с помощью которой реализуется способ определения прочности сцепления пород со сменным штампом, соответствующим по материалу и шероховатости горному оборудованию; на фиг.2 схематически показано размещение образца на штампе; на фиг.З показано прижатие штампа к свободной поверхности образца; на фиг.4 показано отжатие образца от штампа с образованием изолированных полостей после снятия нагрузки. Камера 1 выполнена в виде цилиндра из прозрачного материала, например, из плексигласа. В днище камеры 1 выполнено углубление, в которое помещается контейнер 2 из 6571 легкого материала для исключения прилипания образца 3 к днищу камеры 1 и испытываемый образец 3. Герметичная камера 1 снабжена крышкой 4, которая закрывает камеру 1 с помощью, например, резьбового 5 соединения. В крышке 4 размещены: шток 5 с возможностью осевого перемещ ения, клапан 6 и манометр 7. Шток 5 в нижней части имеет соединение , например, резьбовое со сменным штампом 8, соответствующим по 10 материалу и шероховатости горному оборудованию. Крышка 4 и камера 1 снабжена уплотнениями 9 и 10. Способ осуществляется следующ им об разом. 15 Образец горной породы 3 размещ ается в герметичной камере 1 на эластичной прокладке 2 в углу блении днища камеры 1. При снятой крышке 4 штамп 8 прикрепляют к механизму его перемещения в виде штока 5. 20 Закрывают камеру 1 крышкой 4, при этом штамп 8 установлен над образцом с зазором , исключающ им прилипание образца 3 к днищу камеры 1. Через клапан б накачивают воздух в камеру 1, контролируя давление 25 манометром 7. Создают избыточное давление газообразной среды, не менее в три раза превышающ ее атмосферное, (определено экспериментально), затем шток 5 со штампом 8 прижимают к образцу 3 с заданной 30 силой мерным грузом, например, гирей (на чертеже не показано), после чего груз снимают со штока 5. После прижатия штампа 8 к образцу 3 и образования контактной зоны поднимают штамп 8 с прилипшим образцом 35 3 над дном камеры 1 и снижают в камере 1 давление среды стравливанием воздуха через клапан б до момента отрыва образца от штампа. По манометру 7 определяют давление 40 воздуха в камере 1. Усилие отрыва определяют по разности первоначального избыточного давления в камере 1 и давления, при котором происходит отрыв образца 3 в камере 1 и давления, при кото ром происходит 45 отрыв образца 3 от штампа 8. Применение данного способа основано на том, что при наложении шероховатой поверхности образца 3 ( фиг.2) на поверхность штампа 8, также имеющ его микронеровно - 50 сти, между данными поверхностями образу ю тс я п о л ос ти 11 и 1 2. Пр и ж а ти е поверхности штампа 8 к свободнойповерх ности образца 3 приводит к выдавливанию воздуха из полостей 11 в атмосферу ( фиг.З). 55 В результате пластичной де формации стенок микронеровностей поверхностного слоя образца 3 полости 11 смыкаются и становятся изолированными от окружающей среды. Деформируются стенки микронеровностей образца 3 и полостях 12, а находящийся в данных полостях воздух сжимается, поскольку полости 12 не сообщаются с окружающ ей ср ед ой. Пос ле сн я тия н аг рузк и сжатый воздух в полостях 12 отжимает образец 3 от штампа 8 (фиг.4). При этом полости 11 (фиг.4), оставаясь изолированными от окружающей среды, частично увеличиваются в объеме за счет деформации растяжения стенок микронеровностей свободной поверх нос ти о бр аз ца 3. Ув е лич ен ие о бъ ем а полостей 11 при неизменном количестве в них воздуха образует в данных полостях раз режение относительно окружающей среды, эксперименты показали, что если создать давление окружающей среды, равное давлению в указанных изолированных полостях, то образец отделится от штампа. Помещать образец, в составе которого имеется вода, в вакуум нельзя, так как в вакууме вода интен сивно испаряется, что приводит к изменен ию с во йс тв а ли пк ос ти о бр аз ца и , следовательно снижает достоверность измерения. Поэтому в предложенном способе прижатие штампа 8 к исследуемому образцу 3 для их слипания производят в камере 1 при повышенном давлении воздуха, например, 4 ати в камере 1. Пусть, например, после снятия нагрузки давление в изолированных полостях 12 контактной зоны составляет 1 ати, т.е. в указанных полостях образуется пониженное давление по отношению к давлению в камере 1 (4 ати). При понижении давления воздуха в камере 1 до 3 ати произойдет отделение образца от штампа, т.е. разность величин первоначального избыточного дав ления в камере и давления, при котором произошел взрыв образца от штампа, дает величину прочности сцепления: 4 ати - 3 ати !=1 ати. Экспериментально определяется минимальная величина избыточного давления в камере - она должна быть не менее 3 ати. Исходя из того, что максимальная сила прижатия штампа составляет 5 кг, т.к. при большей силе прижатия образец раздавливается, т.е. теряет первоначальную форму. Измеренное давление разряжения в изолированных полостях контактной зоны слипшихся образца и штампа не превышало 2,85 ати. Таким образом, избыточное давление в камере должно быть выше атмосферного, по крайней мере в три раза. П р и м е р 1. Испытания проводили в лаборатории рудничного транспорта в герметичной камере при повышенном давлении воздуха. Выпо лня л и 3 0 изм е ре н ий, н а ч то было затрачено 17,8 часа. Определяли прочность G571 сцепления каолинита (образца), вход ящ его в сос тав больш инс тва руд и пород влажностью 22, 56% с облицовочным материалом лотка виброконвейера - фтороплас том, поверхность которого выполнена по 8 классу шероховатос ти (ш тампом). Сила приж атия образца и ш тампа - 5 кг, время прижатия - 10 с. Образец-каолинит в контейнере ус танавливали в углу блении днищ а камеры. При с нятой крышке ш тамп - материал лотка из фтороплас та жес тко закрепляли на подвиж ном ш токе и рас полагали в камере с зазором, исключающим контакт с о с вобод ной поверхнос тью образца (каолинита). Пос ле э того камеру закрывали герметично крыш кой. Ч ерез клапан в крыш ке в камеру накачивали нас ос ом воздух, контролиру я э то давление манометром, При дос тижении давления воздуха в к амере 2, 9 кг/см приж имали шток со ш тампом из фтороплас та к образцу каолиниту в течение 10 с. Сила прижатия составляла 5 кг. Пос ле с нятия нагрузки ш ток с прилипш им к ш тампу - фтороплас ту образцом-каолинитом под нимали над д ном камеры, снижали давление воздуха в камере через клапан до момента отделения образца-каолинита от ш тампа-фтороплас та. Давление воздуха в камере сравнялось с атмос ферным, но отделение образца-каолинита не произош ло. П р и м е р 2. Ис пытание провод или при д ос тижении 2 давления в камере 3 кг/см . При э том давлении прижимали ш ток со ш тампом-фтороплас том к образцу -каолиниту в течение 10 с с силой 5 кг. Поднимали ш ток с прилипш им к штампу -фтороплас ту образцом-каолинитом. Снижали д авление воздух а в камере до момен та о тд е ле ния о браз ца -к ао ли ни та о т штампа-фтороплас та. При с нижении д авления в камере до ну ля отделение образца-као л ин и та п р о из ош л о. С и л а с ц еп л е н ия 2 2 2 с ос тавила: 3 кг/с м - 0 кг/см = 3 к г/с м . Измеренная влажнос ть образца-каолинита с ос тавила 22, 56%, т. е. влажнос ть образца не изменилась. П р и м е р 3. Провод или измерение прочнос ти с цепления образца и ш тампа при давлении воздуха в к амере 4 кг/ см . Приж имали ш ток со штампом-фтороплас том к образцу -каолиниту силой 5 кг в течение 10 с. Поднимали ш ток со с липш имися образцом и ш тампом и с нижали давление воздуха в камере: при давле2 нии 1 кг/с м образец-каолинит отелилс я от штампа-фтороплас та. Прочнос ть с цепления 2 2 2 образца равна: 4 кг/с м - 1 к г/см = 3 кг/ см . Измеренная влажнос ть образца-каолинита сос тавила 22, 56%, т.е. влажнос ть образца в процесс е измерения не изменилась . 8 Данные двух параллельных серий опытов при различном давлении воздуха в камере приведены в табл.1. Таким образом, избыточное давление в 5 камере при измерении проч нос ти с цепления с липш их ся образца и ш тампа д олжно быть выш е атмос ферного, по крайней мере в 3 раза. Проведены испытания заявляемого спо10 соба в сравнении с аналогом (а.с. № 903753) и прототипом (а.с. № 1434104), замеры которых с равнивали с базисным вариантом (контрольным) - методом нормального отрыва обр азц а-као л ини та о т ш там па- под л ожки 15 (с м. К онд ра А. С. Исс лед ование липк ос ти гру нтов. Изв. вузов. Строительс тво и архитекту ра. 1961, N? 4, с. 138-143). Р езу льта ты ис пы та ний привед е ны в табл.2 и 3. 20 Применение с пос оба по изобретению с контрольным сокращ ает время измерения од ного цикла в 8 раз, ош ибка измерений составила 0, 4%, что свидетельс твует о высокой д ос товернос ти измер енных величин. 25 Спос об по изобретению повышает производительнос ть измерений за счет уменьш ения трудоемкос ти опред еления прочнос ти с цепления образцов. Результаты определения прочнос ти сцеп30 ления с огласно способу по а с. № 903753 д остоверны при влажнос ти образца-каолинита 21%. При у величении влажнос ти д о 26% ошибка измерения у величиваетс я в 5 раз (22% ). Опред еление прочнос ти с цепления 35 согласно способу по а.с. № 143104 дос товерно при влажнос ти образ ца-каолини та д о 22%. При у величении влажнос ти образцакаолинита от 23% и выш е ош ибка измерени я у в е л ич ив ае тс я в 1, 3 р аз а ( 8 0% ). 40 Опред еление прочнос ти с цепления по измерению не завис ит от влажнос ти образца пород ы. Ош ибка измерений - 0, 01 раза. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что в с пособе по изобрете45 нию повыш ае тс я точнос ть опр ед елен ия прочнос ти сцепления пород при сохранении их влаж нос ти и липкос ти. Испытанный способ определения прочнос ти с цепления пород, выполненный с об50 разц ом-као лин и том, об лад ае т высок ой дос товернос тью измеренных ве личин, повышает производительнос ть труда за счет уменьшения трудоемкости измерений прочности сцепления пород со штампами - твер55 дыми материалами. Данные измерения прочности сцеплений образцов-тонкоизмельченных влажных руд, пород, грунтов со штампами - рабочими поверхностя ми горного оборудования могут быть использованы проектными орга 6571 10 низациями при расчетах и конструировании нии их сцепления со штампами твердыми вибро тр анспор тных машин, конвей еров, материалами не теряют исходной влажности, окомкователей и других машин и механизчто сохраняетсвойсгво липкости породы, обесмов, транспортирующ их и перерабатываюпечивает достоверность данных измерений; щих материалы с липким свойством. 5 сокращает сроки проведения измерений, а такСпособ определения прочности сцеплеже повышает производительность при опредения пород с штампом - рабочей поверхностью лен ии пр очнос ти сцеп ления за сче т горного оборудования прост в осуществлении уменьшения трудоемкости определен ия измерений, может применяться в полевых успрочности сцепления, величину которой опреловиях, экономичен, не требуется специаль- 10 деляют сразу в момент отрыва испытуемого ное оборудование и приборы, достигается образца породы от штампа по разности велибыстрота измерений (1,5-2 мин), позволяет чин первоначального избыточного давления в испытывать твердые материалы не нарушая камере и давления, при котором происходит их поверхность; образцы породы при измереотрыв образца от штампа. 15 Давление воздуха в камере, кг/с м Уровень по- Измеренное давление нижения разрежения в изолиродавления в ванных полостях конкамере, тактной зоны кг/с м слипшихся образцов и штампа, кг/см Табли ца 1 Перепад дав- Отрыв образца-каолинита лений, кг/см от штампа-фторопласта 1,0 0 2.86 1.0 не происходит 2.0 0 2,84 2,0 не происходит 2.5 0 2,86 2,5 не происходит 2.6 0 2.86 2.6 не происходит 2,7 0 2,86 2,7 не происходит 2.8 0 2.86 2.8 не происходит 2,9 0 2,86 2.9 не происходит 3,0 0 2,86 3,0 происходит 3,1 0,1 2,86 происходит 3,2 0,2 2,86 3,3 0,3 2.86 3,0 3,0 3.0 3,4 0,4 2,86 происходит 3,5 0,5 2,86 3,0 3.0 происходит 4,0 1,0 2,86 3,0 происходит 5,0 2,0 2,86 3,0 происходит Влажность каолинита • происходит происходит Таб лица 2 Прочность сцепления образца-каолинита со штампом-фторопластом, 2 кг/см измеренная различным методом, —БГ — контрольный 21,0 по а.с. № 1434104 по заявляемому способу 2 3 4 5 2,85 1 по а.с. № 903753 2,76 2,85 2,85 100 97,8 100 100 6571 11 12 Продолжение табл. 2 1 2 3 4 5 22,0 2,95 2,53 2,89 2,94 22,56 100 3,0 100 3,05 100 3,15 100 3,25 100 3,35 100 85,7 2.47 82,3 2,80 80,0 2,24 71,0 1,56 48,0 0,74 22,0 97,9 2,67 89,0 2,65 87,0 2,65 84,0 2,67 82,0 2,68 80,0 99,6 3,01 100,4 3,05 100 3,15 100 3,24 99,6 3,35 100 23.0 24,0 25,0 26,0 -і ІХ Таб лиц а З Наименование величин 1. Количество измерений одного цикла 2. Измеренная прочность сцепления, кг/см 3. Время измерения одного цикла, час 4. Себестоимость измерения одного цикла Контрольный способ Способ по изобрет. 800 30 3,01 3,00 144 434,1 17,8 17,3 US9 6571 7/7/////// Упорядник Е. Корнет Замовлення 634 Фиг. Техред М.Моргентал Коректор Н. Король Тираж Підписне Державне патентне відомство УкраТни, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська лл., 8 Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101