устройство для определения механических характеристик горных пород

Формула изобретения

1. Устройство для определения механических характеристики горных пород, содержащее упорную балку, анкерные сваи, вертикальный гидродомкрат, обойму с шариками, обойму с породой, опорные элементы, отличающееся тем, что устройство снабжено рамой со стойками, горизонтальным гидродомкратом, шарнирно закрепленным на стойке с возможностью качания, при этом устройство снабжено направляющим механизмом, содержащим кривошип и кулису с качающимся ползуном, установленном на раме и связанным одним концом со штоком горизонтального гидродомкрата, а другим концом - с тягой, закрепленной на обойме с породой, при этом направляющий механизм обеспечивает горизонтальное перемещение тяги и обоймы с породой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорные элементы выполнены в виде опорных мачт, закрепленных на раме и связанных тросом, и стержневых якорей, которые посредством троса соединены с опорными мачтами.

Описание изобретения к патенту

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 - сдвиг целиков;

- 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 балку, анкерные сваи, гидродомкраты, обойму с шариками, обойму с породой (Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Специальная инженерная геология. - Ленинград, Недра, 1978 - 495 с; с. 179).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие:

- применяемое оборудование, тяжелое и громоздкое, не позволяет провести достаточное количество опытов в разных точках отвала в необходимый промежуток времени;

- сложность обеспечения полной неподвижности устройства во время испытаний рыхлых отвальных пород;

- сложность, трудоемкость и высокая стоимость проведения опытов;

- недостаточные функциональные возможности устройства - определение только прочностных свойств 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 упорную балку, анкерные сваи, вертикальный гидродомкрат, обойму с шариками, обойму с породой и опорные элементы, дополнительно снабжено рамой со стойками, горизонтальным гидродомкратом, шарнирно закрепленным на стойке с возможностью качания, направляющим механизмом, содержащим кривошип и кулису с качающимся ползуном, установленным на раме и связанным одним концом со штоком горизонтального гидродомкрата, а другим концом с тягой, закрепленной на обойме с породой, при этом направляющий механизм обеспечивает горизонтальное перемещение тяги и обоймы с породой. Устройство отличается также тем, что опорные элементы выполнены в виде опорных мачт, закрепленных на раме и связанных тросом и стержневых якорей, которые посредством троса соединены с опорными мачтами.

Заявленное устройство отличается от прототипа тем, что оно позволяет определять деформационные характеристики горных пород в разных направлениях; повысить эффективность и надежность определения механических свойств горных пород; снизить стоимость и трудоемкость проведения испытаний; повысить мобильность устройства; снизить затраты времени на подготовку испытаний; обеспечить неподвижность устройства во время испытания рыхлых отвальных пород.

Для этого используют: 1. Направляющий механизм, установленный на раме устройства и связанный одним концом со штоком горизонтального гидродомкрата, а другим концом с тягой, закрепленной на обойме с породой, при этом позволяющий передать усилие от шарнирно закрепленного на стойке рамы горизонтального гидродомкрата на кольцо с породой и обеспечить сдвиг породы в горизонтальной плоскости, а также при использовании съемной горизонтальной тяги и штампа провести испытания сжимаемости породы в горизонтальном направлении с целью определения ее деформационных свойств; 2. Систему "оттяжки - опорные мачты стяжной трос - наклонные стержневые якоря", дополнительно позволяющую обеспечить неподвижность устройства. При этом имеется возможность варьирования количеством и глубиной заложения стержневых якорей для обеспечения полной неподвижности устройства вовремя проведения опыта.

Функциональная 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, например установке в шурфе гидродомкратов и системы устройств для передачи на образец породы и стенку шурфа горизонтальных нагрузок, становится затруднительным получить информацию по свойствам отвальных пород в необходимый промежуток времени в разных точках отвала.

В предлагаемом устройстве применение направляющего механизма, состоящего из кривошипа, кулисы, качающегося ползуна, тяги и постоянно прикрепленного к стойке рамы с помощью шарнира с возможностью качания горизонтального гидродомкрата, а также системы "оттяжки - опорные мачты - трос - наклонные стержневые якоря" позволяет устранить указанные недостатки по прототипу.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - схема направляющего механизма.

Устройство состоит из рамы 1, гидродомкратов 2 с манометрами 3, кривошипа 4 кулисы 5, качающегося ползуна 6, тяги 7, съемной тяги 8 для создания горизонтальной сжимающей нагрузки, штампа 9, обоймы 10, кольца с породой 11, штампа 12 для создания вертикального давления на целик породы, роликовой обоймы 13, штанги для передачи вертикальной сжимающей нагрузки 14, съемной распорной балки 15, опорных мачт 16, стяжного троса 17, оттяжек 18, талрепов 19, анкерных костылей 20, стержневых якорей 21, опор устройства 22, винтового механизма опор 23, прибора для регистрации деформаций породы 24, шарнирного крепления 25 пяты горизонтального гидродомкрата.

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 кольца 11;

- на поверхность призмы устанавливают кольцо 11, имеющее в нижней части острую режущую кромку, накрывают его металлической пластиной, с размерами, большими диаметра кольца;

- устройство устанавливают над подготовленной призмой, через отверстия в опорах 22 погружают в породу вертикально и наклонно анкерные костыли 20;

- с помощью винтового механизма опор 23 устройство перемещается в вертикальной плоскости до отметки, соответствующей расстоянию, необходимому для установки между вертикальным гидродомкратом 2 и поверхностью целика породы штанги 14 и роликовой обоймы 13, устанавливают опорные мачты 16, соединяют их стяжным тросом 17;

- погружают в породу под определенным углом стержневые якоря 21 и при помощи оттяжек 18 соединяют их с опорными мачтами 16;

- с помощью талрепов 19 производят натяжение оттяжек 18, тем самым сообщая системе "оттяжки - опорные мачты - стяжной трос" необходимую жесткость;

- при помощи вертикального гидродомкрата 2 и штанги 14 кольцо 11 постепенно задавливают в призму горной породы, одновременно убирая излишки породы острым ножом;

- производят демонтаж задавливающих устройств - снимают металлическую пластину и поднимают штангу 14;

- на кольцо с выделенным целиком породы сверху устанавливают обойму 10;

- на верхнюю поверхность целика породы последовательно устанавливают штамп 12, роликовую обойму 13, штанга 14 при этом находится в фиксированном положении, исключающем передачу давления на целик породы от ее собственного веса;

- обойму 10 при помощи тяги 7 соединяют с кулисой 5; кривошип 4 при этом находится в фиксированном положении, исключающем передачу горизонтального усилия на целик породы;

- испытания начинают с обжатия целика породы заданной вертикальной нагрузкой. Для этого с помощью вертикального гидродомкрата 2, штанги 14, роликовой тележки 13 и штампа 12 на торец целика породы передают вертикальное равномерно распределенное давление.

Вертикальная нагрузка, передаваемая вертикальным гидродомкратом 2 на распорную балку 15 и соответственно на раму 1, воспринимается частично костылями 20. Другая часть нагрузки передается с помощью системы "оттяжки 18, опорные мачты 16 и стяжной трос 17" на якорные стержни 21. При этом происходит перераспределение нагрузки между мачтами 16 и изменение величины и направления усилия, приходящегося на якорные стержни. В зависимости от угла наклона оттяжек 18 к мачтам 16 будут изменяться величины горизонтальных и вертикальных составляющих усилий в самих оттяжках. Подбирая оптимальный угол наклона оттяжек и соответствующие параметры и количество стержневых якорей, добиваются неподвижности положения устройства во время проведения опыта;

- к обойме 10 с кольцом 11 прикладывают отдельными ступенями горизонтальную сдвигающую нагрузку. Для этого с помощью горизонтально расположенного и шарнирно закрепленного гидродомкрата 2, кривошипа 4, кулисы 5, качающегося ползуна 6, тяги 7 в точке В соединения кулисы 5 и тяги 7 создается горизонтально направленное усилие.

Прямолинейное движение точки В в горизонтальном направлении реализуется при помощи направляющей механизма OAO₁B, показанного на фиг.3 в пределах угла поворота 90^o90^o при размерах ОА, ОО_l, АВ, определяемых расчетом. При этом необходимая траектория движения точки А относительно точки О может быть реализована только в случае шарнирного крепления к стойке рамы 25 пяты горизонтально расположенного гидродомкрата 2 с возможностью его качания;

- с помощью приборов 24 производят фиксацию момента непрерывного увеличения деформаций, что соответствует наступлению сдвига целика породы при определенной сдвигающей нагрузке;

- 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 используются 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, не меняя положения устройства. При этом работа предлагаемого устройства заключается в следующем:

- производится зачистка горной выработки на необходимую глубину;

- на выровненную горизонтальную поверхность горной породы устанавливают жесткий штамп, конструкция которого аналогична конструкции штампа 12 с размерами, определяемыми программой испытаний; в необходимых случаях может быть применена кольцевая пригрузка штампа;

- на верхнюю поверхность штампа последовательно устанавливают штангу 14, дополнительно снабженную в нижней части сферической головкой, исключающей внецентренное приложение нагрузки на штамп и вертикальный гидродомкрат 2;

- к штампу присоединяют два прибора 24 для регистрации вертикальных деформаций породы;

- с помощью вертикального гидродомкрата 2 и штанги 14 по подошве штампа создается равномерное вертикальное давление;

- деформации породы от каждой ступени приложенного давления регистрируются приборами 24 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.

Определение модуля деформации породы в горизонтальном направлении может также производиться независимо от опытов по сдвигу целиков пород, либо после их производства, не меняя положения устройства. При этом предлагаемое устройство работает следующим образом:

- производится зачистка стенок горной выработки с устранением возможных отклонений от вертикали;

- к кулисе 5 в точке В прикрепляют съемную горизонтальную тягу 8, которая соединяется со штампом 9, установленным на вертикальную стенку выработки; соединение тяги и штампа должно обеспечивать центральное приложение горизонтальной нагрузки к штампу;

- к штампу 9 присоединяют приборы 24 для регистрации горизонтальных деформаций породы;

- с помощью горизонтально расположенного и шарнирно закрепленного гидродомкрата 2, кривошипа 4, кулисы 5, качающегося ползуна 6 и съемной горизонтальной тяги 8 создается отдельными ступенями нагрузка на штамп 9. При этом прямолинейное движение точки В и соответственно горизонтальное движение тяги 8 реализуется при помощи направляющего механизма OAO₁B, показанного на фиг. 3, и шарнирного крепления к стойке рамы 25 горизонтально расположенного гидродомкрата 2 с возможностью его качания;

- производится регистрация 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 применения гидравлических домкратов и направляющего механизма;

- повысить информативность исследований за счет одновременного применения на одной установке комплекса методов определения свойств горных пород;

- снизить стоимость и трудоемкость проведения испытаний за счет снижения массы устройства и возможности переноса его непосредственно к месту испытаний.