Устройство для определения прочностных свойств пород бортов карьеров

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения прочностных свойств горных пород. Устройство содержит гидродомкрат, раму, нагрузочный механизм, установленный на раме, и нагрузочные пластины, имеющие сферические отверстия. Рама снабжена съемным режущим приспособлением, установленным с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно рамы, и регистрирующим прибором, содержащим стойку с выдвижными стержнями. Нагрузочный механизм выполнен съемным и содержит винты передачи давления со сферическими наконечниками для входа в сферические отверстия нагрузочных пластин. Режущее приспособление может содержать вал с резьбой, на противоположных концах которого размещены режущий инструмент в виде фрезы и рукоятка. Нагрузочный механизм может содержать шарнирно соединенные неподвижную и подвижную штанги, внутренние поверхности которых составляют острый угол, с установленным между ними с возможностью качания гидродомкратом, шток которого выполнен с возможностью передачи нагрузки на штанги и нагрузочные пластины посредством блока подшипников качения. Изобретение направлено на повышение точности определения свойств горных пород, снижение трудоемкости исследования и повышение производительности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

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

Известно устройство для определения прочностных свойств пород по методу ВНИМИ, включающее домкрат для создания нагрузки, приложенной под углом 45 и 60° к плоскости ослабления (Бондарик Г.К. Методы определения прочности глинистых пород. - М.: Недра, 1974. - 214 с, с.90.).

Ограниченность рассматриваемого устройства заключается в следующем:

- рекомендуется оценивать только сцепление грунта, так как угол внутреннего трения не может быть точно определен в связи с небольшим диапазоном нормативных нагрузок и малым количеством опытных точек;

- определение угла внутреннего трения производится в лабораторных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является установка для испытания на сдвиг обрушением, содержащая упорную балку с грузом, вертикально расположенный домкрат, динамометр, штамп (Швец В.Б. Элювиальные грунты как основания сооружений М.: Стройиздат, 1964. - 193 с., с.44) В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие:

- сложность, трудоемкость и высокая стоимость проведения опытов;

- применяемое оборудование, тяжелое и громоздкое, не позволяет провести достаточное количество опытов в разных точках борта карьера;

- отсутствие регистрирующего прибора для фиксации геометрических параметров выделенных призм горных пород и поверхностей обрушения;

- низкая эффективность и недостаточные функциональные возможности устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения достоверных прочностных характеристик горных пород и расширение функциональных возможностей устройства за счет дополнительного более точного съема параметров деформаций горных пород.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство для определения прочностных свойств пород бортов карьеров, включающее гидродомкрат, раму и нагрузочный механизм, установленный на раме, отличается тем, что рама снабжена съемным режущим приспособлением, установленным с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно рамы, регистрирующим прибором, содержащим стойку с выдвижными стержнями, устройство снабжено нагрузочными пластинами, имеющими сферические отверстия, а нагрузочный механизм выполнен съемным и содержит винты передачи давления со сферическими наконечниками для входа в сферические отверстия нагрузочных пластин. Устройство отличается также тем, что режущее приспособление содержит вал с резьбой, на противоположных концах которого размещены режущий инструмент в виде фрезы и рукоятка, а нагрузочный механизм содержит шарнирно соединенные неподвижную и подвижную штанги, внутренние поверхности которых составляют острый угол, при этом между ними установлен гидродомкрат с возможностью качания, шток которого выполнен с возможностью передачи нагрузки на штанги и нагрузочные пластины посредством блока подшипников качения.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что позволяет повысить эффективность и надежность определения прочностных свойств горных пород в бортах карьеров; снизить стоимость и трудоемкость проведения испытаний; повысить мобильность устройства; снизить затраты времени на подготовку и проведение испытаний за счет объединения разных исследований в одном техническом средстве.

Для этого используют:

- регистрационный прибор, закрепленный на раме и позволяющий с высокой точностью фиксировать все необходимые параметры призм горной породы до и после приложения нагрузки;

- съемное фрезерное приспособление, позволяющее снизить трудоемкость и время подготовки к опытам, а также повысить качество расчистки забоев, что в свою очередь влияет на достоверность получаемых результатов;

- съемный нагрузочный механизм ввиду малых размеров позволяет уменьшить объем работ по расчистке забоев. При этом винты передачи давления со сферическим наконечниками, входящие в сферические отверстия нагрузочных пластин, позволяют обеспечить передачу нагрузки, перпендикулярной к торцу призмы породы, и изменять расстояние от центра приложения нагрузки до стенки забоя;

- горизонтальный гидродомкрат с манометром, вынесенные за пределы забоя, позволяют снизить трудоемкость проведения опытов и повысить точность и безопасность измерения нагрузки на породную призму, особенно в момент обрушения призмы.

Ограниченность устройства по прототипу заключается в том, что нет возможности произвести сдвиги призм под разными углами к напластованию породы. Ввиду сложности и трудоемкости, а в некоторых породах и невозможности разработки забоев становится затруднительным получить забой с размерами, достаточными для установки вертикального домкрата со штампом, а также призму правильной геометрической формы. При этом сложность организации измерения необходимых для расчета параметров призм горной породы до и после приложения нагрузки, а также поверхностей обрушения не позволяет с достаточной точностью получить исходные данные. Все упомянутые ограничения по прототипу делают проблематичным получение достоверной информации о прочностных свойствах горных пород в разных точках борта карьера в необходимый промежуток времени.

По предлагаемому устройству применение установленного на раме режущего приспособления с фрезой и рукояткой, расположенных на валу, нагрузочного механизма, выполненного в виде шарнирно соединенных неподвижных и подвижных штанг, внутренние поверхности которых составляют острый угол, с расположенным между ними гидродомкратом, установленным с возможностью качания, и блоком подшипников качения, соединенных со штоком гидродомкрата, выполненного с возможностью передачи нагрузки на штанги и нагрузочные пластины, а также применение регистрирующего прибора, содержащего стойку с выдвижными стержнями, позволяет устранить указанные недостатки по прототипу.

На фиг.1 показан общий вид устройства с режущим приспособлением вверху; на фиг.2 - вид верху на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства с нагрузочным механизмом вверху; на фиг 4 - вид сверху на фиг.3.

Устройство состоит из рамы 1, анкерных стержней 2, основания режущего приспособления 3, цилиндрических втулок 4, вала 5, вала с резьбой 6, фрезы 7, рукояти 8, крепежных винтов 9, регистрирующего прибора 10, стойки 11, выдвижных стержней 12, винтов 13, балок 14, винтов 15, неподвижной штанги 16, оси 17, подвижной штанги 18, оси 19, гидродомкрата 20, подвижного штока гидродомкрата 21, блока подшипников качения 22, манометра 23, трубопровода 24, винта передачи давления от подвижной штанги 25, винта передачи давления от неподвижной штанги 26, нагрузочных пластин 27 и 28, верхней упорной плиты 29, направляющих уголков 30.

Работа устройства для определения прочностных свойств пород бортов карьеров заключается в следующем:

- раму 1 устройства устанавливают на предварительно выровненной площадке уступа борта карьера;

- через отверстия в раме 1 погружают в породу вертикально анкерные стержни 1, имеющие в верхней части резьбу;

- с помощью гаек, навертываемых на анкерные стержни 2, фиксируют положение рамы 1 в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

- проводят монтаж съемного режущего приспособления: в основании режущего приспособления 3, включающего цилиндрические втулки 4, устанавливают вал 5, в середине которого имеется резьбовое отверстие. С помощью этого отверстия вал с резьбой 6 сопрягается с валом 5, затем на противоположных концах вала 6 монтируется фреза 7 и рукоять 8. Фиксаци вала 5 производится с помощью крепежных винтов 9;

- вращая рукоять 8 и, соответственно, вал 6, фрезе 7 придают вращательно-поступательное движение, необходимое для расчистки забоя;

- после проходки выработки на необходимую глубину, вращением рукояти 8 в обратную сторону фрезу 7 извлекают;

- ослабив крепежные винты 9, перемещают вал 5 и, соответственно, вал 6, фрезу 7 и рукоять 8 влево или вправо в зависимости от предполагаемых размеров забоя;

- фиксируют вал 5 с помощью крепежных винтов 9 и повторяют те же операции, что и при проходке первой выработки;

- таким же образом производят проходку остальных выработок, суммарный поперечный размер которых должен соответствовать поперечному размеру забоя, а их глубина - глубине забоя. после извлечения фрезы 7 из последней выработки производят окончательную зачистку забоя в соответствии с требуемыми размерами;

- выполняют нарезку двух вертикальных щелей на всю высоту породной призмы таким образом, чтобы призма была открыта с трех сторон и примыкала к стенке забоя;

- производят демонтаж съемного режущего приспособления - для этого с концов вала с резьбой 6 убирают фрезу 7 и рукоять 8, а затем путем вращения из вала 5 извлекают вал с резьбой 6;

- на основании режущего приспособления 3 устанавливают направляющие уголки 30;

- на верхнюю поверхность породной призмы устанавливают нагрузочную пластину 28, затем с помощью направляющих уголков 30 в забой надвигают нагрузочный механизм, состоящий из неподвижной 16 и подвижной 18 штанг, соединенных при помощи оси 17, гидродомкрата 20, соединенного со штангой 16 с помощью оси 19; подвижной шток которого 21 соединен с блоком подшипников качения 22.

Одновременно с надвижкой нагрузочного механизма в забое устанавливают нагрузочную пластину 27 вместе с верхней упорной плитой 29. При этом винты передачи давления со сферическими наконечниками 25 и 26 должны войти в соответствующие сферические отверстия нагрузочных пластин. Для винта передачи давления 26 в нагрузочной пластине 28 подготовлено несколько сферических отверстий, отстоящих на разных расстояниях от пластины, что позволяет изменять расстояние до центра приложения нагрузки от стенки забоя. Подвижный шток гидродомкрата 21, установленного на оси 19 с возможностью качания, при этом находится в фиксированном положении, исключающем передачу усилия на нагрузочные пластины 28 и 27.

- с помощью регистрирующего прибора 10 производят необходимые замеры подготовленной породной призмы. Для этого из стойки 11 перемещают выдвижные стержни 12 с миллиметровой шкалой до соприкосновения с поверхностью породной призмы и стенки забоя, затем фиксируют требуемые параметры;

- испытание начинают с обжатия породной призмы заданной минимальной вертикальной нагрузкой. Для этого с помощью гидродомкрата 20, штока 21 и блока подшипников качения 22 на внутренние поверхности неподвижной и подвижных штанг 16, 18 оказывается силовое воздействие, при этом внутренние поверхности штанг составляют острый угол. Минимальная вертикальная нагрузка, передаваемая штангами 16 и 18 через винты 25 и 26, воспринимается нагрузочными пластинами 28 и 27;

- производят демонтаж направляющих уголков 30. При этом между основанием режущего приспособления 3 и штангой 16 образуется зазор, достаточный для реализации ограниченного ее перемещения под действием нагрузки;

- увеличивая вертикальную нагрузку ступенями, породную призму доводят до обрушения. В процессе опыта с помощью манометра 23, соединенного трубопроводом 24 с гидродомкратом 20, фиксируют нагрузку, а также промежуточные ступени нагрузки;

- поверхность обрушения призмы расчищают и с помощью регистрирующего прибора 10 делают замеры с двух противоположных сторон обрушенной призмы. Далее устанавливают средние координаты кривой обрушения;

- таким же образом производят второй опыт по обрушению рядом расположенной и аналогично подготовленной породной призмы, но расстояние от центра приложения нагрузки до стенки забоя должно быть изменено по сравнению с соответствующим расстоянием в первом опыте. Для этого винт передачи давления 26 должен попасть в соответствующее программе испытаний сферическое отверстие нагрузочной пластины 28.

Обрушение каждой из призм различно приложенной нагрузкой (с эксцентриситетом по отношению к центру пластины) необходимо для получения различных поверхностей обрушения. Значения удельного сцепления С и угла внутреннего трения (определяют известным полуграфическим способом, рассматривая случай предельного равновесия обрушенного клина породы. В результате обрушения двух одинаковых призм с различно приложенной нагрузкой получают исходные данные, необходимые для составления двух уравнений с двумя неизвестными: С и tgϕ. Решая систему уравнений относительно С и tgϕ, получим значения прочностных свойств исследуемых пород.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет:

- повысить эффективность и достоверность определения прочностных свойств пород бортов карьеров;

- снизить стоимость и трудоемкость проведения испытаний;

- уменьшить эксплуатационные расходы и затраты времени на

- подготовку испытаний;

- повысить мобильность устройства, что позволяет проводить опыты в труднодоступных для известных технологий точках борта карьера;

- повысить безопасность проведения опытных работ, связанных с обрушением породных призм.

Формула изобретения

1. Устройство для определения прочностных свойств пород бортов карьеров, содержащее гидродомкрат, раму и нагрузочный механизм, установленный на раме, отличающееся тем, что рама снабжена съемным режущим приспособлением, установленным с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно рамы, и регистрирующим прибором, содержащим стойку с выдвижными стержнями, устройство снабжено нагрузочными пластинами, имеющими сферические отверстия, а нагрузочный механизм выполнен съемным и содержит винты передачи давления со сферическими наконечниками для входа в сферические отверстия нагрузочных пластин.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что режущее приспособление содержит вал с резьбой, на противоположных концах которого размещены режущий инструмент в виде фрезы и рукоятка.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагрузочный механизм содержит шарнирно соединенные неподвижную и подвижную штанги, внутренние поверхности которых составляют острый угол, при этом между ними установлен гидродомкрат с возможностью качания, шток которого выполнен с возможностью передачи нагрузки на штанги и нагрузочные пластины посредством блока подшипников качения.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4