Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок

 

СТЕНД ДЛЯ ОБЪЕМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК , включающий емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующей вертикальный ствол трубой, пригруз и контрольна-измерительную аппаратуру , отличающийся тем. х что , с целью обеспечения имитации процесса выноса неустойчивыхпород при изменяющихся параметрах дренажного контура, он снабжен установленными между стенками емкости и иьмтирующей трубой съемнылш фильтруюдцими перегородками и расположенным под имитирукядей трубой фильтрующим перфорированным элементом с расходомером и задвижкой, внутри которого коаксиально размещена с возможностью осевого перемещения перфорированная труба, а контрольно-измерительная аппаратура выполнена в виде расположенных в наружном кольцевом зазоре имитирующей трубы датчиков с установленными напротив I них осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитирующей трубе и сфокусированными на них источниками света. .7 а ft

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(50 Е 21 D 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3367919/22-03 (22) 23.12.81 (46) 30.12.83. Бюп. М 48 (72) В.В. Соловьев (53) 622.25.001(088.8) (56) 1. Справочник гидрогеолога.

Под ред. М.Е. Альтовского. М., Госгеолтехиздат, 1962, с. 129.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 194715, кл. Е 21 D 5/00, 1966 (прототип). (54 ) (57 ) СТЕНД ДЛЯ ОБЪЕМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК, включающий емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующей вертикальный ствол трубой, пригруз и контрольно-измерительную аппаратуру, отличающийся тем, ÄÄSUÄÄ 1 124 А что, с целью обеспечения имитации процесса выноса неустойчиаых пород прн изменяющихся параметрах дренажного контура, он снабжен установленными между стенками емкости и ими- . тирующей трубой съемными фильтрую .щими перегородками и расположенным под имитирующей трубой фильтрующим перфорированным элементом с расходомером и задвижкой, внутри которого коаксиально размещена с возможностью осевого перемещения перфорированная труба, а контрольно-измерительная аппаратура выполнена в виде расположенных в наружном кольцевом зазоре имитирующей трубы датчиков с установленными напротив них осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитирующей трубе и сфокусированными на них источниками света.

1028124

Известный стенд имитирует натуральные условия работы крепи на больших глубинах, однако имитацию выноса неустойчивых пород при изменяющихся параметрах дренажного контура получить практически невозможно.

Целью изобретения является обеспечение имитации процесса выноса неустойчивых пород при изменяющихся параметрах дренажного контура.

Поставленная цель достигается тем, что стенд для объемного моделирования вертикальных горных выра30

40 боток, включающий емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующеЙ вертикальный ствол трубой, пригруз и контрольно-измерительную аппаратуру, снабжен установленными между стенками емкости и имитирующей трубой съемными фильтрующими перегородками и расположенным под имитирующей трубой фильтрующим перфорированным элементом с расходомером и задвижкой, внутри которого коаксиально размещена с возможностью

50

55 осевого перемещения перфорированная труба, а контрольно-измерительная аппаратура выполнена в виде расположенных в наружном кольцевом зазоре имитирующей трубы датчиков с уста- 60 новленными напротив них осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитирующей трубе и сфокусированными на них источниками света.

Изобретение относится к горному делу и касается измерительной техники для проведения в стационарных условиях наблюдений за процессом выноса пород при моделировании гидро геологических условий, например, на участках проходки шахтных стволов вертикальными щитами по обводненным неустойчивым породам.

Известен прибор Г.Н. Каменского для определения коэффициента филь- 10 трации, содержащий имитирующую емкость с измерительной аппаратурой E1)

Недостатком укаэанного прибора . является то, что коэффициент фильтрации определяется в стабильном состоя-)5 нии без возможности проследить изменения его во времени в зависимости от различных параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок, включаю|ций емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующей трубой, пригруз и контрольно-измерительную аппаратуру t2 ).

На фиг- 1 дан общий вид стенда для объемного моделирования верти каль ных горных выработок; на фиг. 2 — то же, вид сверху на фиг.3= узел 1 фиг. 1; на фиг. 4 — узел II фиг. 1; на фиг. 5 — гидродинамическая схема потока у ствола, на фиг. б и 7 - схема участка проходимого шахтного ствола через водоносный горизонт под защитой глубинного водопонижения.

Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок состоит из емкости 1, оборудованной впускными 2 и выпускными 3 кранами, съемными фильтрукицими перегородками

4. Съемные фильтрукнцие перегородки закреплены в кольцевых выточках 5, которые расположены на основании б емкости. В центре емкости расположена имитирующая труба 7, представляющая собой толстостенный цилиндр с заточенной нижней кромкой. В нижней части имитирующей трубы по ее наружной поверхности закреплены датчики 8 (контактные I и рядом с ними, но не касаясь, осевые проводники 9. С внутренней стороны имитирующей трубы расположены источники света.10. В основание емкости 1 вмонтирована труба 11 с обсыпкой, представляющая собой фильтрующий перфорированный элемент 12. Степень раскрытия последнего регулируется выдвижной перфорированной трубой 13 и муфтой 14. Выше фильтрующего перфорированного элемента установлены датчики 15 (фотоэлектрические ). Выпуск воды регулируется задвижкой Тб и расходомером 17, кото рые выполнены на фильтрующем перфорированном элементе 12.

Стенд заполнен материалом 18, эквивалентным натурным породам, а в кольцевой зазор 19 поступает вода. Сверху стенда размещен пригруэ

20, имитирукший равномерно распределенную нагрузку. Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок работает в соответствии с гидродинамической схемой стока у ствола (см. фиг. 5).

В применяемой модели, как видно из фиг. 5, б и 7, сохраняется физическое и математическое подобие с соблюдением геометрического фактора, причем засыпаемый в стенд материал эквивалентен натурному по физикомеханическим и фильтрационным характеристикам.

Уравнение движения потока: в натурных условиях

Я=Ког р 1 аН . на модели (на стенде j

QH м м т гп

1028124

45 где Я, — расход потока соответственно в натурных условиях и на модели, K, K — коэффициенты фильтра- ции; и, и>щ — площадь поперечного сечения потока

ПН, ПН вЂ” потери Напора;

t Р— длина пути фильтрации; щ — мощность проходимого участка. 10

При переходе от натурных условий к модели сохраняются масштабные факторы:

I и ) масштаб расходов — = «6, ,и масштаб коэффициентов фильтрации

К

К KI м . у масштаб линейный — =с .

- е

В натурных условиях радиус шахт.ного ствола ("с е) составляет 5,510,0 м, радиус дренажного контура (гк) 30-150 м, остаточный напор от 5 до 20 м. 25

Математическое подобие используется с учетом анологии между потенциальными полями, в которых коли.чество потока, проходящего через любую площадь поперечного сечения(иМ пропорционально градиенту некоторой .потенциальной величины, характеризующей энергию потока. При этом фильтрационный поток характеризуется: по количеству - расходом Я по энергии — напором М фильтрация — коэффициентом фильтрации K закон движения жидкости /по Дарси/

Я= Кщ г.еЗ Н 40

Расчет осуществляется по Е.A.Çàмарину

}„р (Ь n)(1 л), где 1к — критический градиент;

h — - объемный вес породы; пористость.

Вынос пород отсутствует при выполнении условия (см. Фиг. 7/ пНств а —. кр Н 50

Максимальная высота выноса песка из под ножа щита в ствол составляет

Я

О, Н„р, < 05

Исследования на стенде производятся следующим образом. 55

Устанавливается съемная фильтрующая перегородка 4 на требуемую величину r а имитирующая труба 7 в соответствии с величиной е засыпается эквивалентным материалом. 60

Устанавливается пригруз 20 и заполняется кольцевой зазор 19 водой на величину п к. Регулирование расхода, осуществляют задвижкой 1б, устанав-. ленной на фильтрующем эквивалентном элементе. Уровень воды эа наружной поверхностью имитирующей трубы регистрируется с помощью датчиков 8, установленных в ее стенке, и, напри" мер, прибором магнитоэлектрической системы или световым индикатором.

В момент попадания индикатора (не показан } образуется замкнутая электрическая цепь: источник питания— индикатор-осевой проводник — водадатчик - источник питания, включая соединительные провода.

Фиксирование начального момента выноса, например, песка и дальнейшее его развитие основывается на изменении фотоэлектрического эффекта при изменении прозрачности среды. Степень прозрачности устанавливается по шрифту Снеллена нли цилиндру Геннера, и замеряется по линии сфокусированного светового луча на приемнике света. При этом проэрачность убывает прямо пропорциональ но количеству поступающего вместе с водой песчаных частиц, что отмечается регистрирующей аппаратурой, включенной в цепь датчиков 15.

Поскольку предлагаемый стенд позволит изучить условия возникновения и развития выноса в шахтный ствол неустойчивых пород, один из главных неблагоприятных факторов, осложняющих проходку вертикальным щитом с предварительным водопонижением, и скорректировать параметры и режим работы водопониэительной контурной системы скважин, расчет ожидаемого зкономического эффекта ведется, исходя из сравнения двух специальных способов проходки; вертикального щита с предварительным водопонижением и искусственного замораживания пород. Одновременно на стенде отрабатываются параметры центральной водопониэительной скважины,. которая позволит дополнительно уменьшить остаточный напор на участке шахтного ствола.

Использование изобретения позволяет решать задачи по установлению зависимостей исследуемых параметров развития выноса неустойчивых пород в зависимости от физико-механических свойств пород пристволового целика, горно-геологических и гидрогеологических показателей, а также с учетом параметров водопонизительного контура 1,радиус контура, общее число скважин, суммарный дебит, расстояние между скважинами и т.д. ).

Это позволит выбирать оптимальный по конструкции и эксплуатации дренаж с учетом фильтрационной устойчивости пород и тем самым предотвратить их вынос в ствол, крайне осложняющий щитовую проходку.

1028124

1028124

Ою

Фиг. Ф

Юайужр

Шх

cmI

Фиг. 7

Заказ 10572/9 Тираж 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, Ул. Проектная, 4

Составитель Л. Черепенкина

Редактор С. Титова Техред X. Кастелевич Корректор Л. Патай