Способ моделирования проявлений горного давления и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной пром-ти и предназначено для подземкой разработки твердых полезных ископаемых . Цель - повышение достоверности и снижение трудоемкости моделирования . Создают модель из зквивалентного материала с изменяющейся по глубине боковой нагрузкой. Одновременно измеряют физические параметры на отдельных ступенях нагружения. Модель нагружают вертикальной нагрузкой и боковой, которую осуществляют в матрице с неравномерным профилем. Кривизну профиля рассчитьгоают по математической формуле, в которую входят геометрические параметры устр-ва, упругие хар-ки эквивалентного материала и величины механических нагрузок. Устр-во для осуществления данного способа состоит из основания 1, на котором крепится рама 2 с расположенными на ней гидродомкратами 3, служащими для вертикального нагружения модели в нагрузочном приспособлении 4, стенок корпуса 5, гибких пластин 6. Приспособление 4 имеет верхнюю 7 и нижнюю 8 балки, предназначенные для закрепления в них модели из эквивалентного материала 9 болтами 10 и гайками 11, 12. Данные способ и устройство позволяют моделировать в лабораторных условиях сложное напряженно-деформированное состояние массива горных пород с помощью лишь серийных испытательных процессов без применения уникальных установок для объемного нагружения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. (Л О) 00 О СП

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ng 4 E 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ollHcAHME изоБрктин я „-",":,, H ABTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4225986/22-03 (22) 07,04.87 (46) 23.12.88. Бюл. Р 47 (71} Институт проблем комплексного освоения недр АН СССР (72) С.В.Кузнецов, С.М.Никитин и М.З.Слоним (53) 622.23.05 (088.8) (56) Кузнецов Г.Н., Будько М.Н., Васильев Ю.И. и др. Моделирование проявлений горного давления, — Л.:

Недра, 1968, с.230-236.

Покровский Г.И., Федоров И.С.

Центробежное моделирование в горном деле. — М.: Недра, 1969, с.272.

Авторское свидетельство СССР

В 1006568, кл. Е 01 D 23/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

Р 1076580, кл. Е 21 С 39/00, 1984. (54} СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ

ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной пром-ти и предназначено для подземной разработки твердых полезных ископаемых. Цель — повышение достоверности и снижение трудоемкости моделирования. Создают модель из эквивалентного материала с изменяющейся по глубине боковой нагрузкой. ОдноÄÄSUÄÄ 1446305 А 1 временно измеряют физические параметры на отдельных ступенях нагружения.

Модель нагружают вертикальной нагрузкой и боковой, которую осуществляют в матрице с неравномерным профилем.

Кривизну профиля рассчитывают по математической формуле, в которую входят геометрические параметры устр-ва, упругие хар-ки эквивалентного материала и величины механических нагрузок.

Устр-во для осуществления данного способа состоит из основания 1, на котором крепится рама 2 с расположенными на ней гидродомкратами 3, служащими для вертикального нагружения модели в нагрузочном приспособлении 4, стенок корпуса 5, гибких пластин 6.

Приспособление 4 имеет верхнюю 7 и нижнюю 8 балки, предназначенные для закрепления в них модели из эквивалентного материала 9 болтами 10 и гайками 11, 12. Данные способ и устройство позволяют моделировать в лабораторных условиях сложное напряженно-деформированное состояние массива горных пород с помощью лишь серийных испытательных процессов без применения уникальных установок для объемного нагружения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Способ моделирования проявлений горного давления на эквивалентных материалах с использованием данного устройства включает в себя следующие операции и осуществляется следующим образом.

Исходя из условий моделирования, удовлетворяющих соогношениям теории упругости для плоско-напряженного состояния

55

14463

Изобретение относится к горной промьппленности, а точнее к области подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых и может быть использовано в гидротехническом строительстве при лабораторном исследовании напряженно-деформированного состояния моделей элементов конструкций подземных сооружений методом 10 эквивалентных материалов.

Цель изобретения — повышение достоверности и снижение трудоемкости моделирования.

На фиг. 1 представлена принципиальная расчетная схема формирования заданного напряженно-деформированного состояния в модели иэ эквивалентного материала; на фиг. 2 — принципиальная схема устройства для осу20 ществления предлагаемого способа.

Устройство для моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород (фиг.2) состоит из монолитного жесткого основания 1 25 корпуса, на котором укрепляются рама

2 с расположенными на ней силовыми и динамическими устройствами (гидродомкратами) 3, служащими для вертикального нагружения модели в нагру- З0 зочном приспособлении 4 и смещения последнего вместе с моделью относительно боковых стенок корпуса 5 по выполненным иэ лист..ного железа гибким пластинам 6, нагруэочное приспособление 4 с верхней 7 и нижней 8 балками, предназначенными для закрепления в них модели 9 из эквивалентного материала болтами 10 и гайками 11: и 12 при фиксировании заданного уров ня вертикальной нагрузки р, боковые

; 40 стенки корпуса 5, собранные из горизонтально расположенных пластин 13, стянутых болтами 14, 05 2 дополненным условием Gg = о (з) обеспечивающим необходимый боковой распор, определяют форму х f(z) подпорной боковой поверхности скольжения — гибких пластин 6, учитывая следующие соображения.

Если бы боковые подпорные стенки корпуса 5 были вертикальными, то на стенде сформировалось бы напряженно.

I деформированное состояние, определяемое в соответствии с (1) в виде: 2

Ех = О, бк — С д р Ez -6 х,(2) где Е, 1 — модуль Юнга и коэффициент

Пуассона эквивалентного материала;

Gõ1G> горизонтальные и верти» кальные компоненты напряжений;

Е „, Е - горизонтальные и вертикальные компоненты деформаций.

После помещения модели 9 из эквивалентного материала в нагруэочное приспособление 4 устройства, нагружают ее вертикальным давлением р. Это осуществляется путем закрепления анкерных болтон 10 в верхней части рамы 2, приложения вертикальной нагруэ. ки р гидродомкратами 3, фиксирования нагрузочного приспособления в заданном состоянии гайками 11, 12 и освобождение анкерных болтов 10 от рамы 2е

При этом слой, лежащий на высоте

Ь от основания (фиг. 1), сместится вниз под действием веса налегающего материала модели - слоя мощностью (Н - Ь) - и давления р на величину

1 -9

61 Аh — — — - Q h

z но (7 — )"(Н вЂ” п) + р, следовательно где Н " высота модели; — плотность эквивалентного материала.

Поскольку боковые стенки, форма которых описывается искомой формулой

x f(z), не вертикальны, смещение

C)„- =0Ä + й(„= (2 f (h) 1 0

= 4+ (1 9) — hlG

f(h) J

2 5 U - н (f(h +х Π— (н)7- 2f (h) д1(c f (z) 1 о

+ (1 н ) )х-г2

f(z) (4) — ((Н-г) + р, 2 6U Е (21) E = — — — --=- — — — ь7

2 а f(h) Е(Ь) «Е (h)

Е(ЬГ (Н-Н) + Р7

G((1 =

)(Е

1 -)2 (Е

Ь(„= EE„= -(1-4 ) (g (Н - h) +

t()

1 «)к

Е (h)

+ р7

h °

f (h) )({ х +)( 7 (2 + {2 (1 -1) ГУ (Н-z) +pjz+EW (Е)

0 4+ (1 2)

11 — — — {2Z н 1 (1 — 42) Pg (Н вЂ” z) + p)+ ) Е W f (z) И(z) f(z) — (Н-z) — р

1Е f (z) (5)

1 -,Р f(z} и рС(г)-0 х а

x f (z) — - ехр

Ь

Я(Н вЂ” z). + р

1 — Og gz7 ()((Н - г) х р) х + — - -г — —. EM (1 - 4 )2

z вызовет горизонтальное сжатие слоя на величину а длина этого слоя на высоте г h от основания модели равна 2f(h), поэтому его горизонтальная деформация

Я,(будет равна

Теперь с помощью формулы (1)

20 легко определить добавку к горизонтальному напряжению, рассчитанному по формуле (2), возникающую из-за невертикальности боковых стенок корпуса:

Сложив эту величину с напряжением 35

Я„, возникающим вследствие действия веса материала, получим распределение боковых напряжений в модели, созданных нагрузочным приспособлением 4:

Из формулы (5) с учетом соотношенияб .q = К(я)б получаем общий вид

В соответствии с полученной зависимостью, отпустив гайки болтов 14, собирают из пластин боковые стенки корпуса в виде матрицы, на внутреннюю поверхность которой устанавливаВ общем виде исходное напряженное состояние нагруженной модели будет удовлетворять следующему соотношению:

Дополнительное вертикальное воздействие, т.е. вертикальный сдвиг нагрузочного приспособления 4 вместе с моделью 9 вниз на величину W вызовет горизонтальную деформацию слоев, расположенных на высоте z от основания модели, равную „= -P (z)/f(z)j W, а в материале появятся дополнительные напряжения:

Е (z) г W

f (2)

f (z)

W..

f(z) Общее поле напряжений, возникающее в модели после сдвига, описывается следующей системой уравнений: функции, описывающей форму боковой поверхности стенок корпуса, стенда: х ют гибкие пластины 6 и закрепляют болты 14.

Включая привод гидродомкратов, .производят дополнительное вертикальное воздействие на нагрузочное при5 14463 способление 4, т.е. смещают его вместе с моделью 9 относительно матрицы на глубину и производят измерение физических параметров модели в заданном

5 напряженно-деформированном состоянии.

П р и м e p. Стенд для выполнения: о предлагаемого способа характеризуется следующими размерами: высота Н =

2 м, длина L 3 м. Возьмем случай, о когда g (z) = const, т.е. Ы (z) = oL

1,5 или G 1,5(7 . При этом используется эквивалентный материал, обладающий следующими физическими свойствами: E = 0,9375 10 МПа; 4 0,25; (= 0,025 МН/м . Рассматривая общий вид функции (6), можно видеть, что ее конкретный вид зависит от данного распределения oL по глубине и при постоянном значении oL(z)= возможны три случая: ю, тогда сдвиг равен

ЗН (р+ ф Н)1 (1 -1 ) (1--Ы) У НК

25 а форма образующих определяется формулой

Выполнение моделирования проявле 0 ний горного давления предлагаемыми способом и устройством обеспечивает повышение достоверности моделирования за счет возможности учета природ-. ных закономерностей изменения напря35 женно-деформированного состояния по глубине.

3 ((р+ 8 (Н+ 2z) I

x m,() (р Е 1х

2 р+З Н

Зр + IK (ЗН вЂ” 2z)

Зр+ Н

2. oL = - -, тогда независимо от величины сдвига W< и пригрузки р о -Я (7)

4 (1 -1 ) Формула изобретения

1. Способ моделирования проявлений горного давления, включающий нагружение модели из эквивалентного материала изменяющейся по глубине боковой нагрузкой с измерением физических

45 параметров иа отдельных стуПенях Нагружения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности моделирования, модель дополнительно нагружают вертикальной нагруэ50 в матрице с неравномерным профилем, кривизну которого определяют по формул е (8) Величинами р и Ъ1, specs регулируется необходимое распределение вертикального напряжения о

Е У1

6 - — «(Н-z) -p- — — ——

2 Ц 1- z т.е. M> = 0 и сдвиг производить не следует.

3. ot. ) — — (случай который может

Э встретиться при моделировании текто H

K(z)4 ((Н Z) + Q

1- Р ° - (1- «(эД

« (H - z) + z +

z, (1 - 11 х f(z) L — — ехр

eL х f(z) = —,-- (---), 2 Н

05 6 нических участков). При этом производится сдвиг

ЗН (р +ДН)1 (1 — )1

16. (с - 1) Н Е а для расчета формы боковой поверхности следует пользоваться следующей формулой:

+ (H — 4z)

3 х = f(z)

=e==5 к

2 р — 3(Н

3 — t H 1 )

Зр+ (ЗН-4z) J 2 (1-0 ) а

Для конкретного случая aL = 1,5 (случай 1) и p = 0,5 МПа получаем

M = 14,52 см.

Таким образом определяется форма боковой поверхности корпуса стенда и конкретные параметры сдвига. После вдавливания модели на глубину 14,52 см осуществляют измерение физических параметров модели.

7 1446305 где х — расстояние от центра стенда до боковой стенки матрицы;

z — вертикальная координата, отсчитываемая от основания модели;

HHLE высота и длина стенда; модуль упругости эквивалентного материала; коэффициент Пуассона эквивалентного материала; плотность эквивалентного материала; моделируемый закон изменения бокового распора по глубине; вертикальная нагрузка, приложенная к модели;

W — величина абсолютной деформации модели по оси z при при ложении к ней вертикальной нагрузки. и

2. Устройство для моделирования проявлений горного давления, включаю. щее нагрузочное приспособление, пуансон для вертикальной нагрузки модели и матрицу с динамометрическими и силовыми элементами, о т л и ч а ю щ ее с я тем что, с целью снижения трудоемкости моделирования, матрица выполнена в виде не менее Двух наборов пластин, установленных горизон тально с возможностью их поперечного перемещения и в виде гибких пластин, установленных внутри матрицы.

Составитель Ю.Макаров

Редактор Н.Тупица Техред Л,Олийнык Корректор С.Шекмар

Заказ 6727/38 Тираж 459 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ii3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4