Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок Советский патент 1983 года по МПК E21D5/00 

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

Известен прибор Г.Н. Каменского для определения коэффициента фильтрации, содержащий имитирующую емкость с измерительной аппаратурой С

Недостатком указанного прибора . является то, что коэффициент фильтрции определяется в стабильном состонии без возможности проследить изменения его во времени в зависимоети от различных параметров.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту Является стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок, включающий емкость для заполнения ее породой/ эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующей трубой, пригруз и контрольно-измерительную аппаратуру 2.

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 вертикаль.ных 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, снабжен установленными между стенками емкости и имитирующей трубой съемными фильтрукяцими 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 зазор имитирующей трубы датчиков с установленными напротив них осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитируквдей трубе и сфокусированными на них источниками света.

На фиг. 1 дан общий вид стенда для объемного моделирования вертикальных горных выработок; на фиг. 2 - то же, вид сверху на фиг. 3узел 1 фиг. 1; на фиг. 4 - узел II фиг. 1; на фиг. 5 - гидродинамическая схема потока у ствола/ на фиг. 6 и 7 - схема участка проходимого шахтного ствола через водоносный горизонт под зашитой глубинного водопонижения.

Стенд для объемного моделировани вертикальных горных выработок состоит из емкости 1, оборудованной впускными 2 и выпускными 3 кранами, съемными фильтрующими перегородками 4. Съемные фильтрующие перегородки закреплены в кольцевых выточках 5, которые расположены на основании 6 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 ) 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, регулиру.ется выдвижной перфорированной трубой 13 и муфтой 14. Выше фильтрующего перфорированного элемента установлены датчики 15 (фотоэлектрические ). Выпуск воды регулируется задвижкой Г6 и расходомером 17, кот рые выполнены на фильтрующем перфорированном элементе 12.

Стенд заполнен материалом 18, эквивалентным натурным породам, а в кольцевой зазор 19 поступает вода. Сверху стенда размещен пригруз 20, имитируквдий равномерно распределенную нагрузку. Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок работает в соответствии с гидродинамической схемой отока 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 засыпаемлй в стенд материал эквивалентен натурному по физикомеханическим и фильтрационным характеристикам.

Уравнение движения потока:

в натурных условиях

а кшна модели Сна стенде ) ЛИ,

м

Q, в„ - расход потока соответственно в натурны условиях и на модели коэффициенты фильтра ции; площадь поперечного ,mсечения потока; дН , лНд, - потери напора; t ,К„ - длина пути фильтраци m - мошность проходимого участка. При переходе от натурных услови к модели сохраняются масштабные фа торы:. масштаб расходов масштаб коэффициентов фильтраци . T-- f масштаб линейный «m В натурных условиях радиус шахтного ствола ( составляет 5,510,0 м, радиус дренажного контура (. 30-150 м, остаточный напор от 5 до 20 м., Математическое подобие используется с учетом анологии между потенциальными полями, в которых коли-чество потока, проходящего через любую площадь поперечного сечения(l пропорционально градиенту некоторой потенциальной величины, характеризующей энергию потока. При этом фильтрационный поток характеризуется:, по количеству - расходом Q по энергии - напором /Л фильтрация - коэффициентом фильтрации к J закон движения жидкости /по Дар Ss Kto Н Расчет осуществляется по Е.А.Замаринур(Д-п){1-г,), ;р - критический градиент; д - объемный вес породы; п - пористость. Вынос пород отсутствует при вы полнении условия (см.фиг. 1) С вын Максимальная высота выноса песка из под ножа щита в ствол составляе ын макс Исследования на стенде производятся следующим образом. Устанавливается съемная фильтрую щая перегородка 4 на требуемую величину г , а имитирующая труба 7 в соответствии с величиной m засыпается эквивалентным материалом. Устанавливается пригруз 20 и заполняется кольцевой зазор 19 водой на величину п,. Регулирование расхода осуществляют задвижкой 16, установленной на фильтрующем эквивалентном элементе. Уровень воды за наружной поверхностью имитирующей трубы регистрируется с помощью датчиков 8, установленных в ее стенке, и, например, прибором магнитоэлектрической cиcтe ы или световым индикатором. В момент попадания индикатора (не показан | образуется Зс1мкнутая 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 или цилиндру Геннера, и замеряется по линии сфокусированного светового луча на приемнике света. При этом прозрачность убывает прямо пропорционапь но количеству поступающего вместе с водой песчаных частиц, что отмечается регистрирующей аппаратурой, включенной в цепь датчиков 15. Поскольку предлагаемой 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 водопонизительной контурной системы сквс1жин, расчет ожидаемого экономического эффекта ведется, исходя из сравнения двух специальных способов проходки; вертикального шита с предварительным водопонижением и искусственного замораживания пород. Одновременно На стенде отрабатываются параметры центральной водопонизительной 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 S зависимости от физико-механических свойств пород пристволового целика, горно-геологических и гидрогеологических показателей, а также с учетом параметров водопонизительного контура (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.

f 7

Фиг. г

(в

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