Патент на изобретение №2276343

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОД ОТВАЛОВ

(57) Реферат:

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.

(56) (продолжение):

CLASS=”b560m”01.01.1963. SU 1096527 A, 07.06.1984. JP 7279148 A, 24.10.1995. JP 11323892 A, 26.11.1999. JP 3179233 А, 05.08.1991. JP 2002212938 А, 31.07.2002. ЕР 0928963 A3, 14.07.1999. US 3127765 А, 07.04.1964. Горная энциклопедия. Под ред. Е.А.Козловского. М.: Советская энциклопедия, т.3., 1987, – с.592, 321, 322.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ