Устройство для определения механических характеристик горных пород

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения механических характеристик горных пород, например отвальных. Устройство содержит раму, анкерную систему, устройства для передачи нагрузок, обойму с роликами, штамп. Для передачи горизонтальных усилий используется шарнирный параллелограмм, закрепленный на раме с возможностью вертикального и горизонтального перемещения. Горизонтальные тяги параллелограмма соединены с обоймой с роликами и снабжены съемной горизонтальной тягой, шарнирно соединенной со штампом. Технический результат: повышенная информативность исследований за счет увеличения функциональных возможностей устройства, высокая производительность и мобильность устройства, низкая стоимость и трудоемкость проведения испытаний. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения механических характеристик горных пород, например отвальных.

Известно устройство РПС-1 для определения сдвиговых характеристик горных пород, включающее раму, сдвиговой ящик, рычаги вертикального и горизонтального давлений, грузовые платформы (Грязнов Т.А. Оценка показателей свойств пород полевыми методами. - М.: Недра, 1984 - 197 с; с. 47).

Ограниченность рассматриваемого устройства заключается: - в невозможности определения сдвиговых характеристик пород в условиях их естественного залегания; - в затруднении, а в ряде случаев и невозможности отбора и установки образцов пород ненарушенного сложения в обойму прибора; - в невозможности определения деформационных характеристик пород в горизонтальном направлении; - в недостаточном объеме и достоверности получаемой информации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является установка для испытания грунтов на сдвиг в полевых условиях, содержащая упорную раму, анкерную систему, устройства для передачи нагрузок, обойму с роликами, штамп (Трофименков Ю. Т., Воробков Л.Н. Полевые исследования строительных свойств грунтов. - М.: Стройиздат, 1981 - 213 с; с. 54).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие: - сложность, трудоемкость и высокая стоимость проведения опытов; - применяемое оборудование, тяжелое и громоздкое, не позволяет провести достаточное количество опытов в разных точках отвала в необходимый промежуток времени; - сложность проведения опытов на глубинах, превышающих 2 м, так как в этих условиях анкеровка упором в балку, закрепленную на поверхности, становится проблематичной; - недостаточные функциональные возможности устройства - определение только прочностных свойств пород и невозможность определения их деформационных характеристик в горизонтальном направлении с целью оценки степени деформационной анизотропии пород.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения достоверных механических характеристик горных пород и расширение функциональных возможностей устройства за счет определения деформационных характеристик пород в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство для определения механических характеристик горных пород, включающее раму, анкерную систему, устройства для передачи нагрузок, обойму с роликами, штамп, отличается тем, что для передачи горизонтального усилия используется шарнирный параллелограмм, закрепленный на раме с возможностью вертикального и горизонтального перемещения, горизонтальные тяги которого соединены с обоймой с роликами и снабжены съемной горизонтальной тягой, шарнирно соединенной со штампом, при этом горизонтальность соединения параллелограмма с грузовым блоком обеспечивает вертикальная подвижная стойка с роликом.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что оно позволяет определять деформационные характеристики горных пород не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении; повысить эффективность и надежность определения механических свойств горных пород - для этого используют шарнирный параллелограмм, имеющий возможность перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях и снабженный съемной горизонтальной тягой, шарнирно соединенной со штампом.

Ограниченность устройства по прототипу заключается в том, что решается задача определения только одной группы механических свойств горных пород - прочностных, например угла внутреннего трения и удельной силы сцепления, а также нет возможности оценить деформационные свойства пород в разных направлениях. При этом ввиду сложности и трудоемкости проведения испытаний становится затруднительным получить информацию по свойствам отвальных пород в необходимый промежуток времени в разных точках отвала и на разной глубине.

По предлагаемому устройству применение шарнирного параллелограмма, перемещаемого в вертикальной и горизонтальной плоскостях вместе с устройствами для передачи нагрузок, например стойкой с роликом, перемещаемой в вертикальном направлении, и дополнительно снабженного съемной горизонтальной тягой, шарнирно соединенной со штампом, позволяет устранить указанные недостатки по прототипу.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства: на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - обойма устройства, продольный разрез.

Устройство состоит из рамы 1, опор 2, анкерных стержней 3, грузового рычага 4 для создания вертикальной сжимающей нагрузки, вертикальной тяги 5 для передачи сжимающей нагрузки, грузовых блоков 6 и 7 для создания горизонтальной нагрузки, подвижной в вертикальном направлении стойки с роликом 8, троса 9, подвижных в вертикальном направлении стоек 10 и шарнирно соединенных с ними вертикальных стоек шарнирного параллелограмма 11, горизонтальной тяги шарнирного параллелограмма 12, съемной горизонтальной тяги 13 для создания горизонтальной сжимающей нагрузки, штампа 14, роликовой обоймы 15, штампа 16 для создания вертикального давления на целик породы 17, цилиндра 18, обоймы 19, приборов для регистрации деформаций 20.

Работа устройства по определению прочностных характеристик горных пород заключается в следующем: - в зависимости от целей и задач испытания на определенной глубине подготавливают призму горной породы, диаметр которой превышает на 8-10 см диаметр цилиндра 18;
- устройство устанавливают над подготовленной призмой, через отверстия в опорах 2 погружают в породу анкерные стержни 3;
- на поверхность призмы устанавливают цилиндр 18, имеющий в нижней части острую режущую кромку, накрывают его металлической пластиной, превышающей его диаметр, и при помощи грузового рычага 4, вертикальной тяги 5 и роликовой обоймы 15 цилиндр 18 вдавливают в призму;
- производят демонтаж задавливающих устройств;
- на цилиндр 18 с выделенным целиком породы 17 сверху устанавливают обойму 19;
- на верхнюю поверхность выделенного целика породы 17 последовательно устанавливают штамп 16, роликовую обойму 15, вертикальную тягу 5;
- обойму 19 соединяют с горизонтальными тягами 12 шарнирного параллелограмма, при этом подвижные стойки 10 и вертикальные стойки шарнирного параллелограмма 11, а также подвижную стойку с роликом 8 устанавливают таким образом, чтобы положение троса 9 между горизонтальной тягой 12 и роликом было горизонтальным;
- испытание начинают с обжатия целика породы 17 заданной вертикальной нагрузкой. Для этого вертикальную тягу 5 соединяют с грузовым рычагом 4, к концу которого прикладывают груз P₁, соответствующий определенной ступени нагрузки, которая с помощью штампа 16 распределяется по торцу целика породы в виде равномерного вертикального давления;
- к обойме 19 с целиком породы 17 прикладывают отдельными ступенями горизонтальное усилие при помощи тяг 12 шарнирного параллелограмма, соединенных тросом 9 с грузовым блоком 7. Горизонтальная нагрузка создается при помощи грузового блока 6 и груза Р₂, причем ее величина зависит от соотношения радиусов блоков 6 и 7;
- передачу горизонтального усилия осуществляют шарнирным параллелограммом, закрепленным на раме с возможностью вертикального и горизонтального перемещения. Горизонтальное перемещение шарнирного параллелограмма реализуется за счет горизонтального усилия, создаваемого тросом 9, соединенным с тягой 12. При этом вертикальные стойки 11 шарнирного параллелограмма получают перемещение относительно подвижных в вертикальном направлении стоек 10. Горизонтальное перемещение шарнирного параллелограмма, а именно нижней его части, необходимо для того, чтобы движение (перемещение) тяги 12 было горизонтальным. Это связано с тем, что сдвиг выделенной призмы горной породы происходит по горизонтали;
- с помощью приборов 20 производят фиксацию момента непрерывного увеличения деформаций, что соответствует наступлению сдвига целика породы при определенной величине сдвигающей нагрузки;
- таким же образом производят сдвиги других целиков породы на той же глубине при значениях вертикальных давлений, отличающихся от давления, переданного на первый целик.

Для определения прочностных характеристик горных пород необходимо провести три испытания одной и той же породы при различных значениях вертикального давления, передаваемого на целик породы с одними и теми же значениями влажности и плотности. Полученные опытные данные используют для построения графика зависимости сопротивления породы сдвигу от вертикального давления с дальнейшим вычислением угла внутреннего трения и удельной силы сцепления.

Определение второй группы механических характеристик горных пород - деформационных - может производиться независимо от опытов по сдвигу целиков пород либо после их производства без изменения положения устройства.

При этом работа предлагаемого устройства заключается в следующем:
- производят зачистку горной выработки на необходимую глубину;
- на выровненную горизонтальную поверхность горной породы устанавливают жесткий штамп, конструкция которого аналогична конструкции штампа 14 с размерами, определяемыми программой испытаний; в необходимых случаях может быть применена кольцевая пригрузка штампа;
- вертикальную тягу 5 шарнирно соединяют со штампом, устраняют возможное ее отклонение от вертикали с последующим креплением к грузовому рычагу 4;
- к штампу присоединяют приборы 20 для регистрации вертикальных деформаций породы;
- к концу грузового рычага 4 прикладывают ступенями груз P₁, для создания по подошве штампа равномерного вертикального давления;
- деформации породы от каждой ступени приложенного давления регистрируют приборами 20 вплоть до их полного затухания.

Полученные опытные данные используют для построения графика зависимости осадки штампа от нагрузки и выявления стадий деформаций горной породы под нагрузкой для последующего определения модуля деформаций породы в вертикальном направлении.

При определении модуля деформации породы в горизонтальном направлении предлагаемое устройство работает следующим образом:
- производят зачистку стенок горной выработки с устранением возможных отклонений от вертикали;
- к горизонтальной тяге 12 шарнирного параллелограмма прикрепляют съемную горизонтальную тягу 13, которая шарнирно соединяется со штампом 14, установленным на вертикальную стенку выработки;
- подвижные стойки 10 и вертикальные стойки шарнирного параллелограмма 11, а также подвижную стойку с роликом 8 устанавливают таким образом, чтобы положение троса 9 между горизонтальной тягой 12 и роликом было горизонтальным;
- к штампу 14 присоединяют приборы 20 для регистрации горизонтальных деформаций породы; затем при помощи шарнирного параллелограмма и тяги 13 к нему прикладывают отдельными ступенями горизонтальное усилие, создаваемое грузом Р₂ и блоками 6 и 7;
- производят регистрацию деформаций породы от каждой ступени прилагаемой горизонтальной нагрузки.

Полученные опытные данные, касающиеся зависимости перемещения штампа от нагрузки, используют для получения модуля деформации породы в горизонтальном направлении.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет:
- определять обе группы механических свойств горных пород, а именно прочностные и деформационные;
- изучать деформации горных пород не только в вертикальном, но и горизонтальном направлении, что позволяет оценить степень их анизотропии, а это является решающим фактором при выборе расчетной схемы деформирующегося массива горных пород;
- повысить достоверность определения механических свойств горных пород путем возможности дублирования опытов вследствие низкой стоимости и трудоемкости их проведения;
- уменьшить эксплуатационные расходы, повысить производительность оборудования и рационально использовать мощности за счет оформления нагрузочных и сдвиговых устройств в виде единой неразборной системы с возможностью ее транспортирования непосредственно к месту испытаний;
- повысить информативность исследований за счет одновременного применения на одной установке комплекса методов определения свойств горных пород.

В настоящее время заявляемое устройство изготовлено и прошло производственные испытания на отвале "Восточный" разреза "Уртуйский" Читинской области. В результате проведенных опытов получены сведения о механических свойствах отвальных пород.

Формула изобретения

Устройство для определения механических характеристик горных пород, содержащее раму, анкерную систему, устройства для передачи нагрузок, обойму с роликами, штамп, отличающееся тем, что для передачи горизонтального усилия используется шарнирный параллелограмм, закрепленный на раме с возможностью вертикального и горизонтального перемещения, горизонтальные тяги которого соединены с обоймой с роликами и снабжены съемной горизонтальной тягой, шарнирно соединенной со штампом, при этом горизонтальность соединения параллелограмма с грузовым блоком обеспечивает вертикальная подвижная стойка с роликом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3