Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2003, № 8

УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПОРТАТИВНАЯ 
УСТАНОВКА ИФС-1 АЛЯ ОПРЕАЕАЕНИЯ 
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ 
И ФИЛЬТРАИИОННЫХ СВОЙСТВ ПОРОА 
В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО 
НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ 

УДК 624.131.37:624.131.43 
ББК 26.3 
А 86 

Артамонова Н.Б., Байдюк Б.В. 

А 86 
Универсальная портативная установка ИФС-1 для определения физико-механических и фильтрационных свойств пород 
в условиях трехосного напряженного состояния: Отдельные 
статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. — 
2003. — № 8. — 17 с. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 

Приведена принципиальная схема устройства нового портативного прибора ИФС-1 для определения деформационных, прочностных и фильтрационных свойств полускальных горных пород в условиях сложного напряженного состояния. Изложена новая методика 
оценки коэффициента передачи порового давления по результатам 
испытаний насыщенных жидкостью образцов на прочность при различных сочетаниях всестороннего и порового давлений. 

УДК 624.131.37:624.131.43 
ББК 26.3 

ISSN 0236-1493 
© Н.Б. Артамонова, Б.В. Байдюк, 2003 
© Издательство МГТУ, 2003 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 
И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБОРА ИФС-1 

Прибор ИФС-1 предназначен для определения деформационных, прочностных и фильтрационных свойств пород в 
полевых и лабораторных условиях. 

Установка используется в двух вариантах: 

1) для определения свойств в условиях одноосного 
сжатия (рис. 1), 

2) для определения свойств в условиях трехосного сжатия (рис. 2). 
Для изучения свойств пород в обстановке, моделирующей 
пластовые условия, используются гидравлическая камера с 
гидропрессом для создания всестороннего давления на образец, блок с фильтрационным гидропрессом для независимого 
создания порового давления внутри образца и блок для создания дополнительного вертикального усилия на образец. Проницаемость пород определяется в ходе фильтрации жидкости 
через образец с помощью фильтрационного гидропресса. Коэффициент проницаемости рассчитывается с учетом вязкости 
жидкости, скорости ее движения, длины образца, давления 
жидкости в период стационарной фильтрации. 

Технические характеристики 

Габариты прибора 
Масса прибора 

0,4 х 0,2 х 0,2 м

3 

< 10 кг 

Размеры образцов: 
диаметр 
1,2 см; 1,6 см 
1,6 см; 2,3 см 
высота 

Пределы задаваемых параметров: 

вертикального давления 
всестороннего давления 
порового давления 

90 МПа 
25 МПа 
.6 МПа 

3 

Диапазоны определяемых параметров: 

прочность 
О—90 МПа 

коэффициент проницаемости 
10~

5 мД - 10

2 Д 

Абсолютные погрешности при измерении 

вертикальной деформации 
0,001 мм 

горизонтальной деформации 
0,001 мм 

Относительные ошибки определяемых параметров: 

прочности 
3 % 

модуля Юнга 
5 % 

коэффициента Пуассона 
8 % 

коэффициента проницаемости 
10% 

Среднее время испытания одного образца 15 мин 

Определяемые параметры 

Модуль Юнга, МПа 
Модуль общей деформации, МПа 
Коэффициент Пуассона 
Коэффициент проницаемости, Д 
Прочность, МПа 
Коэффициент передачи порового давления на скелет породы 
Модуль сдвига, МПа 
Коэффициент сжимаемости, МПа"

1 

Сцепление, МПа 
Угол внутреннего трения, град 

Обозначение деталей прибора ИФС-1 

I. Блок для создания вертикального усилия на образец 
и измерения вертикальной деформации образца 

1. Индикатор часового типа 
2. Неподвижная траверса 
3. Шкала для измерения напряжений или деформаций 
4. Нажимная динамометрическая гайка 
5. Пружинный динамометр 
6. Нажимной шток 
7. Передаточный шток 

II. Блок для измерения горизонтальной деформации образца 

8. Индикаторная рамка 
9. Индикаторы часового типа 

III. Блок с гидропрессом для создания и измерения 
внешнего давления на образец 

10. Поршень 
11. Запирающее устройство 

4 

12. Манометр 
13. Водопроводящие каналы 
14. Емкость для поддержания постоянного давления в камере 
15. Затворная крышка 
16. Камера высокого давления 

IV. Блок с фильтрационным гидропрессом 
для создания и измерения порового давления 

17. Поршень 
18. Нажимной винт 
19. Перекрывающий клапан 
20. Манометр 

V. Прочие обозначения 

21. Образец 
22. Торцевые накладки 
23. Изолирующие резиновые кольца 
24. Спусковые воздушные краны 
25. Крышка стола и крепежное устройство 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ 
И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД 
В АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ 

Сборка прибора для испытаний при одноосном сжатии 
(рис. 1) предусматривает блок для создания вертикального усилия на образец и измерения вертикальной деформации образца, 
состоящий из нажимной динамометрической гайки 4, динамометра 5, нажимного штока 6 и индикатора часового типа 1, и блок 
для измерения горизонтальной деформации образца, включающий индикаторную рамку 5 и индикаторы часового типа 9. 

Вертикальное усилие создается ручным способом посредством поворота динамометрической гайки с помощью рычага 
и передается на образец через шток. Характер нагружения 
ступенчатый. Время между ступенями нагрузки задается в соответствии с целью испытания. Величина вертикального усилия определяется степенью сжатия пружины динамометра, которое равно разности перемещения ее верхней и нижней частей. Перемещение верхней части пружины отсчитывается по 

5 

Рис. 1. Схема прибора ИФС-1 для испытаний при одноосном сжатии 

шкале 3, перемещение нижней части пружины измеряется с 
помощью индикатора 1. Жесткость пружины, используемой 
при одноосных испытаниях, равна 633 кГс/мм. Чтобы определить усилие, передаваемое на образец, надо величину сжатия 
пружины умножить на ее жесткость. Давление на образец вычисляется делением усилия на площадь образца. 

Во время опыта на всех ступенях нагружения вычисляются относительные вертикальные и горизонтальные деформации образца, равные частному от деления их абсолютных значений на длину и диаметр образца соответственно. При испытаниях на одноосное сжатие абсолютная вертикальная дефор
6 

мация образца измеряется индикатором 1, а абсолютная горизонтальная деформация — индикаторами 9. 

По результатам испытаний строятся графики зависимости 
относительных деформаций от давления и графики зависимости относительных горизонтальной и вертикальной деформаций друг от друга. По ним определяются значения модуля упругости, модуля общей деформации, коэффициента Пуассона, 
прочности на одноосное сжатие. По значениям модуля упругости и коэффициента Пуассона рассчитываются модуль сдвига 
и коэффициент сжимаемости породы по известным формулам. 

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ 
И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД 
ПРИ ДЕЙСТВИИ ВНЕШНЕГО 
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ 

Для испытаний пород в условиях, моделирующих пластовые, используется вторая сборка прибора (рис. 2), включающая блок для создания и измерения всестороннего давления на образец, состоящий из камеры 
гидравлического 
давления 16, затворной крышки 15, гидропресса с поршнем 
10 и манометра 12, и блок для создания дополнительного 
вертикального усилия на образец и измерения вертикальной 
деформации образца, состоящий из нажимной динамометрической гайки 4, динамометра 5, передаточного штока 7 и индикатора часового типа 1. 

Предварительно камера гидравлического давления заполняется рабочей жидкостью. Образец породы помещается в 
эластичную оболочку. 

Затем устанавливается блок передачи вертикального усилия 
на образец. В отличие от конструкции аналогичного блока при 
испытаниях на одноосное сжатие, в сборке для испытаний на 
трехосное сжатие индикатор часового типа 1 не скреплен жестко с неподвижной траверсой 2 (рис. 2) и поэтому непосредст
7 

венно измеряет сжатие динамометрической пружины, определяющее дополнительное вертикальное усилие на образец. 

После этого с помощью поршня создается всестороннее 
гидростатическое давление на образец внутри камеры 16. Для 
гидроизоляции между камерами внешнего и порового давлений используются кольцевые резиновые уплотнители. Для вывода воздуха из камеры гидропресса и камеры гидравлического давления служат специальные краны 24. При создании 
внешнего давления на образец в несколько приемов используется запирающее устройство 11. Всестороннее давление измеряется манометром 12. 

Далее вращением штурвала нажимной гайки подается дополнительное вертикальное усилие на образец. При этом шток и 
скрепленный с ним образец породы опускаются. Для предотвращения самопроизвольного повышения давления в камере 16 
предусмотрена специальная емкость 14, в которую вытесняется 
вода в ходе опускания штока. Объем этой емкости увеличивается на величину объема входящей в камеру части штока. После 
соприкосновения нижней торцевой накладки 22 с дном камеры 
пружина динамометра начинает сжиматься и на образец породы 
передается дополнительная вертикальная нагрузка. Жесткость 
пружины, используемой при трехосных испытаниях, равна 1287 
кГс/мм. Чтобы определить силу, передаваемую на образец, надо 
величину сжатия пружины, непосредственно измеряемую индикатором 1, умножить на ее жесткость. Дополнительная нагрузка 
на образец задается ступенчато. 

На каждой ступени нагрузки вычисляется относительная 
вертикальная деформация образца. Величина абсолютной вертикальной деформации образца соответствует значению перемещения нижней части пружины динамометра за вычетом деформации передаточного штока, определяемой по специальной 
тарировочной 
таблице. 
Перемещение 
нижней 
части 
пружины равно разности перемещения верхней части пружины, определяемого по шкале 3, и величины сжатия пружины, 
измеряемой индикатором 1. 

8 

По результатам опытов строятся графики зависимости относительной вертикальной деформации образца от дополнительного вертикального напряжения при различных значениях 
всестороннего давления на образец. По этим графикам определяются прочность образцов, модуль упругости и модуль общей деформации. 

По результатам испытаний на одноосное и трехосное сжатие строится диаграмма Мора, по которой определяются значения сцепления и угла внутреннего трения породы. 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ 
И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД 
ПРИ СОВМЕСТНОМ ДЕЙСТВИИ 
ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО 
И ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЙ 

Для подобных испытаний в установке ИФС-1 предусмотрен блок для создания и измерения порового давления в образце, включающий фильтрационный гидропресс и манометр 
20. Фильтрационный гидропресс состоит из поршня 17 и нажимного винта 18. 

Предварительно камера гидравлического давления и камера фильтрационного гидропресса заполняются жидкостью. 
Затем создается всестороннее давление на образец и поровое 
давление внутри образца. Поровое давление образуется путем 
вращения нажимного винта, двигающего поршень, и измеряется манометром. 

После этого на образец ступенчато подается дополнительное вертикальное усилие и изучаются деформационные и 
прочностные свойства пород при действии заданных всестороннего и порового давлений. Впоследствии испытания проводятся при различных сочетаниях всестороннего и порового 
давлений на образцах горной породы. Обработка результатов 
производится, как при обычных трехосных испытаниях. 
10