Способ моделирования горного давления и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к разработке твердых ископаемых. Может быть использовано в гидротехническом строительстве при ла- бораторном исследовании напряженно-деформированного состояния моделей элементов конструкций подземных сооружений.

Известен способ моделирования, предусматривающий создание нагрузки на модель от собственного веса с имитацией его увеличения путем придания ускорения, например, за счет сообщений ей колебательного движения и измерение деформаций модели.

Данный способ не допускает создания неравномерно изменяющейся боковой нагрузки с глубиной.

Известен способ моделирования горного давления путем создания в модели напряжений, имеющихся в натуре что достигается помещением модели в каретку специальной центрифуги, причем вертикальная составляющая поля напряжений линейно увеличивается с глубиной. Его недостатком является существенная трудоемкость и сложность создания бокового распора, изменяющегося с глубиной по более сложным законам.

«™«г

Наиболее близким по технической сущности является способ моделирования, при котором модель из оптически активного материала помещают в каретку центрифуги, создают нагрузки на модель ее собственным весом, имитируя его увеличение путем придания модели ускорения, и измеряют физические параметры модели в заданном напряженно-деформированном состоянии, причем изменение коэффициента бокового распора осуществляют приданием стенкам каретки некоторого наклона относительно направления радиуса с таким расчетом, чтобы при осадке модели при центрифугировании между породой и стенкой каретки образовалась бы небольшая щель, которая будет заполнена за счет расширения породы,

Недостатком этого способа является его низкая достоверность, являющаяся следствием отсутствия количественных закономерностей или решений, позволяющих достаточно надежно воспроизвести моделируемую ситуацию. Другим недостатком данного способа является трудоемкость в построении заранее заданных зависимостей изменения горного давления с глубиной, осрбенно при необходимости учета действия боковых тектонических сил.

Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости мо- делированиязакономерностей

распределения горного давления с глубиной.

Поставленная цель достигается тем, что перед ускорением дополнительно сдвигают модель в каретке внутрь матрицы с криволинейными боковыми стенками, фиксируют модель в матрице, осуществляют дополнительную пригрузку модели плавной посадкой нагрузочной плиты через эластичную гидравлическую подушку с демпфером, причем скорость посадки опреде- ляют по тарировочному графику зависимости перемещения плиты от ускорения центрифуги, а форму криволинейных стенок матрицы задают подбором ее элементов, предварительно определив по формуле

Н

г ьг-j

(H-z|(e« H-zijdЈ

:.(R,i4.3M(«tH)}

где о)-угловая скорость вращения центрифуги, S - площадь верхней площадки поверхности модели; R0 - расстояние от оси вращения до центра масс нагрузочной плиты, R - расстояние от оси вращения до

начальной поверхности демпфирующей гидроподушки, Н - высота матрицы, Е - модуль Юнга, v- коэффициент Пуасона модели, р- плотность материала модели, m масса груза, d(Z) - моделируемый закон изменения бокового давления с глубиной, Ah- величина сдвига модели в глубь матрицы, а- коэффициент бокового распора, Z - расстояние от оси вращения до начальной поверхности деформирующей гидроподушки, L - максимальное расстояние от продольной оси устройства до криволинейной боковой стенки матрицы,

Такое выполнение способа центробежного моделирования с использованием оптически-активных материалов позволяет существенно снизить трудоемкость экспериментов, расширить область его применения и более точно воспроизводить

закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в условиях влияния тектонических сил при разработке полезных ископаемых на больших глубинах.

Сокращение числа операций и повышение производительности труда достигается использованием устройства для моделирования горного давления, содержащего подвеску, корпус каретки, нагрузочное

приспособление для вертикальной пригруз- ки модели, модель из оптически-активного материала и матрицу, отличающегося тем, что оно снабжено эластичной гидравлической подушкой с демпфером в виде перепускного клапана, размещенной между нагрузочным приспособлением и моделью, при этом нагрузочное приспособление выполнено из верхней и нижней части, соединенных между собой и состоящих каждая из

двух подпружиненных друг относительно друга половин.

Снижение трудоемкости при изучении закономерностей изменения напряжений с глубиной с помощью каретки предложенной

конструкции достигается за счет облегчения процедуры подбора материала модели по физическим свойствам, допуская сохранность модели при плавной, разной для различных материалов по скорости, посадке на

0 модель нагрузочной плиты.

На фиг.1 изображена принципиальная расчетная схема формирования заданного напряженно-деформированного состояния в модели предлагаемым способом; на фиг.2

5 - принципиальная схема каретки для моделирования горного давления.

Устройство (каретка) для моделирования горного давления состоит из корпуса 1, на котором анкерными болтами закреплена

матрица 3 с криволинейными стенками для создания боковой пригрузки модели 4 из оптически-активного материала и нагрузочное устройство 5, содержащее раздвижную, соединенную пружиной 6 и направляющими 7 с болтом 8 наРрузочную плиту 9 и дополнительный груз 10, снабженный подвесом 11, стягивающей пружиной 12 и болтом 13, и опирающееся на эластичную гидравлическую подушку 14, соединенную с матрицей 3 демпфером в виде перепускного клапана 15.

Способ моделирования горного давления на центрифуге, предусматривающий применение предложенной каретки, включает в себя следующие операции и реализуется следующим образом.

1. Исходя из условий моделирования, требующих воспроизведения на модели бокового распора в соответствии с законом о d(Z), определяют форму X f(Z) боковой поверхности матрицы, учитывая следующее.

После сдвига модели внутрь матрицы на величину Дп модель получит дополнительную пригрузку боков:

-тМВ

,

vE fVr т

т.к. модель сдвигается как твердое телб и «2-0. а и -Ahf (Z)/f(Z).

После включения центрифуги удельный вес материала становится равным

у -ро (R + Н - Z), а давление от груза массой тр т и Ro/S.

Исли б ы боковые стенки были параллельны оси Z, т.е. ЕХ 0, то вследствие их жесткости напряжения и деформации в модели, порожденные вращением центрифуги, определялись бы соотношениями

d«-() + )2R + H-Z),

о

0х val. EZ 1 г (Ј , откуда

. +

+Д - 3Z (R + Н) + 3H(2R + Н) Поскольку боковые стенки криволинейны, модель испытывает дополнительные боковые деформации Јх - AUz f 1(Z)/f(Z), порождающие напряжения

o EЈx EAUbf1(Z)/f(Z)

-(1 -v2) +Д22 3Z(R + Н) +

fi/7

+ 3H(2R + Н) .

Таким образом, в результате сдвига модели в глубь матрицы и вращения центрифуги в модели формируется поле напряжений

б, (H-z()-

У в+р 2 -52()

.

20

Пусть требуется смоделировать закон изменения боковых нагрузок с глубиной, соответствующей выражению Ox aoz . где а d(Z) - коэффициент бокового распора. Определим форму боковых стенок матрицы, приравняв соответствующие выражения для 7х и aai . В результате получает дифференциальноеуравнение

И (2R H-Eij

Ш) м« 0 «|L%p.3Z((,

35

решением которого с граничным условием f(H) L будет функция

40

Г и (н-2)(

ЈllHeip ITT АрЭДггяМ мрНК 1 М1 1 45

В частности, если требуется воспроизвести боковой распор, не меняющийся с глу- биной, то интеграл вычисляется в конечном виде и форма боковых стенок модели будет описываться выражением

а.з

o z i %pjy-«((..(L Eth j TF ..ь

i-L

При этом длина нижней части (основания) модели равна

Щ-L

w HMf )

6(1-б)ЕдЬ

-3 И

В соответствии с полученной зависимостью устанавливают требуемую форму боковых стенок матрицы 3.

Устанавливают в матрицу модель 4 из оптически-активного материала, смазанную по торцам консистентной смазкой.

Сдвигают модель внутри матрицы на величину A h.

Во избежание разрушения модели 4 при дополнительном нагружении вертикальной нагрузкой р, заданной нагрузочным устройством 5, в верхнюю часть модели помещают гидроподушку 14, снабженную лерепускным клапаном 15, обеспечивающим плавную посадку нагрузочного устройства на модель без резких срывов и скачков нагрузки при центрифугировании.

На верхнюю часть гидроподушки уста- навлийзют плиту 9 нагрузочного устройства 5.

Центрифугу приводят по вращение и измеряют физические параметры модели при ее вращении в заданном напряженно-деформированном состоянии.

Пример конкретного выполнения способа моделирования на центрифуге рассмотрим со следующими характеристиками:

Н - 2L 0,2 м; R 2,5 м; R0 - 2.7 м; S - м2; с 1,25. Пусть используется оптически-активный материал плотностью 1500 кг/м3 с модулем упругости 100 МПа и коэффициентом Пуассона 0,5. При этом по- казатель степени в соотношении, определяющем форму боковых стенок, равен

(a-v)/(1 -1) 1.

Из приведенных формул следует, что от- клонение стенок модели от вертикали значительно увеличивается с ростом угловой скорости вращения центрифуги (измеряемой в рад/с) и уменьшается, хотя и в меньшей степени, при увеличении модуля упругости испытываемого материала. Результаты соответствующих расчетов представлены в таблице.

Таким образом, для каждого конкретно- го эксперимента всегда можно подобрать наиболее целесообразное сочетание параметров со, т и Ah.

Выполнение моделирования на центрифугах описанным способом с использованием предложенных устройств обеспечивает расширение возможностей центробежного

моделирования, повышение его точности и снижение трудоемкости, что позволяет снизить затраты на ликвидацию последствий неблагоприятных проявлений горного давления и обеспечить эффективное внедрение

новых схем разработки глубоких месторождений в сложных горно-геологических условиях.

Формула изобретения

1. Способ моделирования горного давления. включающий размещение модели в каретке центрифуги, создание нагрузки на модель, увеличение нагрузки модели ускорением и измерение физических параметров модели, отличающийся тем. что, с

целью повышения точности и снижения трудоемкости моделирования, закономерностей распределения горного давления с глубиной, перед ускорением дополнительно сдвигают модель в каретке внутрь матрицы

с криволинейными боковыми стенками,, фиксируют модель в матрице, осуществляют дополнительную пригрузку модели плавной посадкой нагрузочной плиты через эластичную гидравлическую подушку с демпфером, причем скорость посадки определяют по тарировочному графику зависимости перемещения плиты от ускорения центрифуги, а форму криволинейных стенок матрицы задают подбором ее элементов, предварительно определив по формуле

Н

«-,.pM(g H-;jjE I

I t Ap.«ft,w Mfll«Sg fc Sf

где а) - угловая скорость вращения центрифуги, S - площадь верхней площадки поверхности модели, RO - расстояние от оси вращения до центра масс нагрузочной плиты, R - расстояние от оси вращения до поверхности гидравлической подушки до начала деформации, Н - высота матрицы, Е - модуль Юнга, V- коэффициент Пуассона, р - плотность материала модели, m - масса груза, создающего дополнительную вертикальную пригрузку, d(Z) - моделируемый закон изменения бокового давления с глубиной, Ah- величина сдвига модели в глубь матрицы, а- коэффициент бокового распора, Z - расстояние от оси вращения до

начальной поверхности деформирующей гидроподушки, L - максимальное расстояние от продольной оси устройства до криволинейной боковой стенки матрицы.

2. Устройство для моделирования горного давления, содержащее подвеску, корпус каретки, нагрузочное приспособление для вертикальной пригрузки модели, модель из оптически активного материала и

0

матрицу, отличающееся тем, что оно снабжено эластичной гидравлической по душкой с демпфером в виде перепускного клапана, размещенной между нагрузочным приспособлением и моделью, при этом нагрузочное приспособление выполнено из верхней и нижней частей, соединенных между собой и состоящих каждая из двух- подпружиненных друг относительно друга половин.

Изобретение относится к горной промышленности и эффективно может быть ис- пользовано в гидротехническом строительстве. Цель - повышение точности и снижение трудоемкости моделирования закономерностей распределения бокового горного давления с глубиной. Для этого размещают модель в каретке центрифуги и имитируют увеличение ее собственного веса При этом придают модели ускорение с измерением физических параметров при дополнительном сдвиге модели в матрице с криволинейными боковыми стенками и вертикальную пригрузку со скоростью, определенной в зависимости от ускорения центрифуги. Форму боковых стенок определяют по формуле в зависимости от вида моделируемого закона изменения бокового давления с глубиной Моделирование производится с помощью каретки, оборудованной демпфирующей гидроподушкой с перепускным клапаном, позволяющим осуществить плавную посадку на модель нагрузочного устройства, которое выполнено из двух плит и оборудовано подвесом с дополнительным грузом мз двух половин, фиксированных анкерным болтом и стягиваемых пружиной 2 с.п ф-лы, 2 ил , 1 табл ел

н

Ы12

$иг.1

оч