УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД ОТВАЛОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N3/00 E02D1/00 

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

Известно устройство для определения прочностных свойств горных пород методом среза целиков, включающее кольцо-обойму, штамп, съемный упор, гидравлический домкрат, упорные балки, винтовые анкерные сваи, опорную плиту (Бондарик Г.К. Методы определения прочности глинистых пород. - М.: Недра, 1974. - 215 с; с-83).

Ограниченность рассматриваемого устройства заключается:

- требуется создание сложной системы анкеровки для восприятия многотонных реактивных усилий, что не позволяет провести достаточное количество опытов;

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

- в недостаточной достоверности получаемой информации вследствие неадекватности напряженных состояний вблизи плоскости среза устройства и формируемому в натурных условиях в силу конструктивных особенностей устройства;

- в невозможности создания необходимого интервала вертикальных давлений на целик породы без нарушения пропорциональности между его осадкой и нагрузкой.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является прибор для сдвига целиков с кольцевой пригрузкой, содержащий сдвиговое кольцо, пригрузочное кольцо и нагрузочные механизмы, обеспечивающие независимость приложения вертикальных нагрузок к сдвиговому и пригрузочному кольцам (Черняк Э.Р., Кальбергенов Р.Г., Чуланов В.В. Изучение прочностных свойств песков полевыми методами. - Исследование инженерно-геологических свойств грунтов. Сборник научных трудов. - М.: ПНИИС ГОССТРОЯ СССР, 1986. - 70 с; с.11).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие:

- применяемое сдвиговое кольцо малых размеров не позволяет провести опыты с дресвяно-щебенистыми породами, а также с породами отвалов, содержащими крупнообломочный материал, что резко сужает область применения прибора;

- применяемое пригрузочное кольцо малых размеров не позволяет расширить диапазон вертикальных нагрузок на целик породы;

- нерегулируемая величина зазора между нижней кромкой сдвигового кольца и поверхностью массива приводит к снижению достоверности получаемых результатов при испытании обломочно-глинистых пород;

- возможность искажения напряженного состояния целика породы в плоскости среза ввиду отсутствия на пригрузочном кольце устройств, предотвращающих перекос сдвигового кольца во время испытаний;

- невозможность увеличения размеров сдвиговых и пригрузочных колец ввиду конструктивных особенностей устройства, не позволяющих воспринимать многотонные усилия от нагрузочных механизмов и перемещать в пространстве необходимое оборудование до и после проведения опыта;

- недостаточные функциональные возможности устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и достоверности определения прочностных свойств пород отвалов и расширение функциональных возможностей устройства за счет определения свойств пород, содержащих щебень и дресву.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство для определения прочностных свойств пород отвалов, включающее сдвиговое кольцо с породой, пригрузочное кольцо и нагрузочные механизмы, дополнительно снабжено каркасом, выполненным из продольных и поперечных балок и вертикальных стоек, соединенных в замкнутый контур, балкой, установленной в центре каркаса, грузоподъемным механизмом, установленным на балке с возможностью перемещения, штампом, дополнительной пластиной, устанавливаемыми на поверхность породы в сдвиговом кольце, ребрами жесткости на пригрузочном кольце, при этом нагрузочные механизмы выполнены в виде вертикальных гидродомкратов, установленных на ребрах жесткости, и прикрепленного к продольной балке горизонтального гидродомкрата, шток которого соединен со съемным упором, сдвиговое кольцо снабжено хомутом изменяемой жесткости, установленным на нем с возможностью перемещения и фиксации, причем сдвиговое кольцо снабжено брусками со сферическими канавками, а пригрузочное кольцо снабжено пазами со сферическими канавками, в которых установлены шарикоподшипники, при этом штамп и сдвиговое кольцо с породой при помощи проволочных струн соединены с приборами для регистрации деформаций пород отвалов.

Заявленное устройство отличается от прототипа тем, что позволяет определить прочностные свойства не только мелкодисперсных, но и дресвяно-щебенисто-глинистых пород на всем диапазоне применяемых вертикальных нагрузок, снизить возможность искажения напряженного состояния целика породы в плоскости среза; повысить эффективность и достоверность определения механических свойств пород отвалов; обеспечить неподвижность устройства во время испытания рыхлых отвальных пород без применения систем анкеровки.

Для этого используют:

- замкнутый контур, состоящий из вертикальных стоек, продольных, поперечных балок и балки, установленной в центре каркаса, воспринимающий и не передающий на массив пород реактивные усилия от нагрузочных маханизмов - гидродомкратов, создающих вертикальные давления на целики пород с размерами, достаточными для испытания пород со значительным содержанием крупнообломочного материала;

- сдвиговое кольцо, снабженное подвижным с возможностью фиксации хомутом изменяемой жесткости, который позволяет устанавливать оптимальное соотношение между максимальной крупностью частиц породы и величиной зазора между нижней кромкой сдвигового кольца и поверхностью массива отвальных пород;

- пригрузочное кольцо, содержащее пазы с шарикоподшипниками вместе со сдвиговым кольцом, снабженным брусками со сферическими канавками, позволяет во время опыта избежать перекос сдвигового кольца, врезания его в породу и тем самым обеспечить срез целика в заданной плоскости.

В предлагаемом устройстве применение замкнутого контура, состоящего из вертикальных стоек, поперечных и продольных балок, а также балки с грузоподъемным механизмом, установленных в центре каркаса позволяет:

- не передавать на массив отвальных пород многотонные реактивные усилия от нагрузочных механизмов, что исключает необходимость анкеровки заявляемого устройства в отвальных породах, особенно в рыхлых. Это, в свою очередь, значительно снижает трудоемкость проведения испытаний и связанные с этим материальные затраты, а для рыхлых отвальных пород становится единственно возможным способом испытания целиков пород достаточно больших размеров;

- осуществлять монтаж и демонтаж крупноразмерных элементов, таких как пригрузочное кольцо, а также загрузку и извлечение отвальных пород из устройства.

Применение сдвигового кольца с хомутом изменяемой жесткости, установленным с возможностью перемещения и фиксации на нем, а также брусков со сферическими канавками вместе с пазами со сферическими канавками, заполненными шарикоподшипниками, на пригрузочном кольце, позволяет проводить достоверные опыты с целиками пород отвалов, содержащих крупнообломочный материал и имеющих достаточно большие размеры в диапазоне вертикальных нагрузок, соответствующих реальным условиям. При этом для разного вида и гранулометрического состава пород имеется возможность оптимизации зазора между нижней кромкой сдвигового кольца и поверхностью массива отвальных пород, а также изменения жесткости хомута. Таким образом, совокупное применение отличительных признаков заявляемого устройства позволяет устранить указанные недостатки по прототипу.

На фиг.1 изображено устройство в разрезе по балке, установленной в центре каркаса; на фиг.2 - общий вид устройства сверху; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг 2; на фиг.4 - вид А.

Устройство состоит из вертикальных стоек 1, продольных балок 2, поперечных балок 3, балки, установленной в центре каркаса 4, подвижного грузоподъемного механизма 5, приборов 6 для регистрации деформаций, вертикальных гидродомкратов 7, горизонтального гидродомкрата 8, подвижной каретки 9, сдвигового кольца с породой 10, подвижного с возможностью фиксации хомута изменяемой жесткости 11, винтов 12, прорезей 13, брусков со сферическими канавками 14, пригрузочного кольца 15, ребер жесткости 16, пазов со сферическими канавками и шарикоподшипниками 17, вертикальных ограничивающих стенок 18, штампа 19, дополнительной пластины 20, съемного упора 21.

Работа устройства по определению прочностных свойств пород отвалов заключается в следующем:

- в зависимости от целей и задач испытания, устройство заполняется отвальными породами одного вида или смешанного состава с послойным уплотнением или без него на высоту вертикальных ограждающих стенок 18;

- на определенной глубине, считая от поверхности приготовленного таким образом массива отвальных пород, подготавливают породную призму, диаметр которой превышает на 8-10 см диаметр сдвигового кольца 10;

- на поверхность призмы устанавливают сдвиговое кольцо 10, имеющее в нижней части острую режущую кромку, накрывают его металлической пластиной с размерами, большими диаметра сдвигового кольца;

- при помощи вертикального гидродомкрата 7 и набора металлических пластин, сдвиговое кольцо 10 постепенно задавливают в породную призму, одновременно убирая излишки породы острым ножом; шток домкрата 7 в начале испытания должен находиться при этом в крайнем нижнем положении;

- задавливание сдвигового кольца 10 осуществляется до образования зазора между нижней кромкой кольца и поверхностью массива отвальных пород. Величина этого зазора в первом приближении определяется в зависимости от диаметра наиболее крупных обломков в породах отвалов и осадки пригрузочного кольца при действии на него нагрузки;

- убирают гидродомкрат 7 и металлические пластины;

- с помощью грузоподъемного механизма 5, перемещаемого по балке 4, опускают пригрузочное кольцо 15 на поверхность массива из отвальных пород таким образом, чтобы центр сдвигового кольца с породой 10 совпал с центром пригрузочного кольца 15;

- на верхнюю поверхность породы, находящейся в сдвиговом кольце 10, последовательно устанавливают штамп 19 с размером, меньшим внутреннего диаметра кольца 10, дополнительную пластину 20 с размерами, превышающими размеры штампа 19, подвижную каретку 9 и гидродомкрат 7. В случае необходимости количество дополнительных пластин может быть увеличено;

- на ребра жесткости 16, находящиеся на пригрузочном кольце 15, устанавливают вертикальные гидродомкраты 7;

- с помощью вертикальных гидродомкратов 7 на пригрузочное кольцо 15 передают нагрузку, величина которой определяется задачами испытаний и остается постоянной в ходе опыта;

- с учетом фактической осадки пригрузочного кольца 15 устанавливают необходимый для среза данного вида породы зазор. Для этого подвижный с возможностью фиксации хомут 11 перемещают вверх или вниз в зависимости от начального положения винтов 12 относительно прорезей 13 и фиксируют винтами 12. При этом для разного вида пород, например, глин в пластичном состоянии или породы с большим содержанием щебня, применяют хомуты 11 изменяемой жесткости, например, из формованной резины или металла;

- на сдвиговое кольцо с породой 10 монтируют направляющие бруски со сферическими канавками 14, располагая их над пазами со сферическими канавками с шарикоподшипниками 17 таким образом, чтобы сферические канавки брусков вошли в соприкосновение с шарикоподшипниками пазов;

- к продольной балке 2 сначала крепят горизонтальный гидродомкрат 8, затем шток гидродомкрата соединяется со съемным упором 21. Между сдвиговым кольцом с породой 10 и съемным упором 21 оставляют зазор, исключающий до начала опыта случайную передачу горизонтального усилия на сдвиговое кольцо;

- штамп 19, сдвиговое кольцо с породой 10 при помощи проволочных струн соединяют с приборами 6 регистрации деформации;

- испытания начинают с обжатия породы в сдвиговом кольце 10 заданной вертикальной нагрузкой, создаваемой гидродомкратом 7 и передаваемой на торец породы через штамп 19. Максимальное значение вертикальной нагрузки может быть предварительно определено по графику зависимости осадки от нагрузки, там где намечается нарушение пропорциональности между осадкой и нагрузкой. Для этого порода в сдвиговом кольце подвергается воздействию ступенчато возрастающей вертикальной нагрузки с непрерывным фиксированием осадок штампа. Опыты проводятся как с пригрузочным кольцом, нагружаемым разными по величине нагрузками, так и без него. Таким образом, для конкретного вида породы определяется эффект «кольцевой пригрузки», заключающийся в расширении диапазона вертикальных нагрузок на породу и увеличении предела пропорциональности между осадкой штампа и нагрузкой на него;

- к сдвиговому кольцу с породой 10 при помощи горизонтального гидродомкрата 8 прикладывают отдельными ступенями сдвигающую нагрузку;

- с помощью приборов 6 производят регистрацию момента непрерывного увеличения деформаций, что соответствует наступлению сдвига целика породы при определенной сдвигающей нагрузке;

- таким же образом производят сдвиги других целиков отвальной породы при значениях вертикальных давлений, отличающихся от давления, переданного на первый целик;

- для определения прочностных характеристик отвальных пород необходимо провести три испытания одной и той же породы при различных значениях вертикального давления, передаваемого на целик породы. Полученные опытные данные используются для построения графика зависимости сопротивления породы сдвигу от вертикального давления с дальнейшим вычислением угла внутреннего трения и удельной силы сцепления.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет:

- определять прочностные свойства не только мелкодисперсных пород, но и пород отвалов, содержащих крупнообломочный материал;

- повысить достоверность определения прочностных свойств пород отвалов за счет возможности регулирования зазора между нижней кромкой сдвигового кольца и поверхностью массива отвальных пород, а также за счет устранения возможности перекоса сдвигового кольца во время испытаний;

- определять прочностные свойства рыхлых отвальных пород ввиду отсутствия необходимости анкеровки устройства в упомянутых породах;

- увеличить величины прикладываемых к целику породы вертикальной и горизонтальной нагрузок, а к пригрузочному кольцу - вертикальной за счет возможности восприятия силовыми рамами устройства многотонных реактивных усилий, создаваемых гидродомкратами, что, в свою очередь, расширяет функциональные возможности устройства.

В настоящее время заявленное устройство изготовлено и использовано при определении механических свойств отвальных пород на одном из угольных разрезов Забайкалья.

Изобретение относится к горному делу, в частности к определению прочностных свойств горных пород (отвальных). Устройство содержит сдвиговое кольцо с породой, пригрузочное кольцо и нагрузочные механизмы. Также оно снабжено каркасом, выполненным из продольных и поперечных балок и вертикальных стоек, соединенных в замкнутый контур, балкой, установленной в центре каркаса, грузоподъемным механизмом, установленным на балке с возможностью перемещения, штампом, дополнительной пластиной, устанавливаемыми на поверхность породы в сдвиговом кольце, ребрами жесткости на пригрузочном кольце. При этом нагрузочные механизмы выполнены в виде вертикальных гидродомкратов, установленных на ребрах жесткости, и прикрепленного к продольной балке горизонтального гидродомкрата, шток которого соединен со съемным упором. Сдвиговое кольцо снабжено хомутом изменяемой жесткости, установленным на нем с возможностью перемещения и фиксации. Сдвиговое кольцо снабжено брусками со сферическими канавками, а пригрузочное кольцо снабжено пазами со сферическими канавками, в которых установлены шарикоподшипники. Штамп и сдвиговое кольцо с породой при помощи проволочных струн соединены с приборами для регистрации деформаций пород отвалов. Технический результат - повышение эффективности и достоверности определения прочностных свойств пород отвалов и расширение функциональных возможностей устройства за счет определения свойств пород, содержащих щебень и дресву. 4 ил.

Устройство для определения прочностных свойств пород отвалов, содержащее сдвиговое кольцо с породой, пригрузочное кольцо и нагрузочные механизмы, отличающееся тем, что оно снабжено каркасом, выполненным из продольных и поперечных балок и вертикальных стоек, соединенных в замкнутый контур, балкой, установленной в центре каркаса, грузоподъемным механизмом, установленным на балке с возможностью перемещения, штампом, дополнительной пластиной, устанавливаемыми на поверхность породы в сдвиговом кольце, ребрами жесткости на пригрузочном кольце, при этом нагрузочные механизмы выполнены в виде вертикальных гидродомкратов, установленных на ребрах жесткости, и прикрепленного к продольной балке горизонтального гидродомкрата, шток которого соединен со съемным упором, сдвиговое кольцо снабжено хомутом изменяемой жесткости, установленным на нем с возможностью перемещения и фиксации, причем сдвиговое кольцо снабжено брусками со сферическими канавками, а пригрузочное кольцо снабжено пазами со сферическими канавками, в которых установлены шарикоподшипники, при этом штамп и сдвиговое кольцо с породой при помощи проволочных струн соединены с приборами для регистрации деформаций пород отвалов.