Способ моделирования горного давления и устройство для его осуществления

Способ моделирования горного давления и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к горной промышленности и эффективно может быть использовано 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (/) (:.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4769835/03 (22) 14.12.89 (46) 23.08.92, Бюл. N - 31 (71) Институт проблем комплексного освое: - ния недр АН СССР (72) С.В.Кузнецов, С.М.Никитин, M,Ý,Ñëîним и Б,Н.Поставнин (53) 622.83 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1006568, кл. Е 01 D 23/00, 1981.

Покровский Г.И., Федоров И.С. Центробежное моделирование в горном деле. — M.:

Наука, 1969, с,272, (54) СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной промышленности и эффективно может быть использовано в гидротехническом строительстве. Цель — повышение точности и снижение трудоемкости моделирования закономерностей распределения бокового

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к разработке твердых ископаемых. Может быть использовано в гидротехническом строительстве при лабораторном 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.,,50„„1756561 А1

2 горного давления с глубиной. Для этого размещают модель в каретке центрифуги и ими-. тируют увеличение ее собственного веса.

При этом придают модели ускорение с измерением физйческих парал1етров при дополнительном сдвиге модели в матрице с криволинейными боковыми стенками и верти кал ьную пригрузку со скоростыю, оп реде- ленной в зависимости от ускорения центрифугй. 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, -позволяМЩим осуществить плавную посадку на модель нагрузочного устройства, которое выполнено из двух плит и оборудовано подвесом с дополнительным грузоМ из двух половин. фиксированных анкерйым болтом и стягиваемых пружиной: 2 с.п. ф-лы, 2 ил„1 табл.

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

Известен способ моделирования горноro давления путем создания в модели напряжений, имеющихся в натуре, что достигается помещением модели-а каретку специальной центрифуги, причел1 вертикальная составляющая поля напряжений линейно увеличивается с тлубиной, Его недостатком является существенная трудоемкость и сложность создания бокового распора, изменяющегося с глубиной по более сложным законам.

1756561

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 измеря)от 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 измененйя горного давления с глубиной, особенно при необходимости учета действия боковых тектонических сил. .Целью изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости моделирования закономерностей 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 определяют по тарировочному графику зависимости перемещения плиты отускорения центрифуги, а форму криволинейных стенок матрицы задают подбором ее элементов, предварительно определив по формуле . где а)- угловая скорость вращения центрифуги, S — площадь верхней площадки поверхности модели; R< — расстояние от оси вращения до центра масс нагрузочной плиты, R — расстояние от оси вращения до начальной поверхности демпфирующей гидроподушки, Н вЂ” высота матрицы, Е— модуль (Онга, t коэффициент Пуасона мо-. дели, р- плотность материала модели, m

5 масса груза, d(Z) — моделируемый закон изменения бокового давления с глубиной.

Л h — величина сдвига модели в глубь матрицы, а- коэффициент бокового распора, Z — расстояние от оси вращения до началь10 ной поверхности деформирующей гидроподушки, L - максимальное расстояние от продольной оси устройства до криволинейной боковой стенки матрицы, Такое выполнение способа центробеж15 ного моделирования с использованием оптически-активных материалов позволяет существенно снизить трудоемкость экспериментов, расширить область его применения и более точно воспроизводить

20 закономерности формирования напряжен- . но-деформированного состояния в условиях влияния тектонических сил при разработ-. ке полезных ископаемых на больших глубинах.

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

З0 приспособление для вертикальной пригрузки модели, модель из оптически-активного материала и матрицу, отличающегося тем, что оно снабжено эластичной гидравлической подушкой с демпфером в виде перепу35 скного клапана, размещенной между нагрузочным приспособлением и моделью, при этом нагрузочное приспособление выполнено из верхней и нижней части, соединенных между собой и состоящих каждая из

40 двух подпружиненных друг относительно друга половин.

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

45 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

50 модель нагрузочной плиты.

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

55 — принципиальная схема каретки для моделирования горного давления.

Устройство (каретка) длл моделирова ния горного давления состоит из корпуса 1, на котором анкерными болтами закреплена

1756561

Зя (5-+р(((-г((И+и-zJ) f (z( и 5ьРI +Р(н-2)(2К+Н-z1)z(z (ы4 5

f(z(аг(Г J (P (.6,„2

6(t-вГ Г(Е а(г ггпу(",р(г -гг(г t (гг "г((— г,ту—

45

В частности, если требуется воспроизвести боковой распор, не меняющийся с глу50 биной, то интеграл вычисляется в конечном виде и форма боковых стенок модели будет описываться выражением га-) йе(— " +р(а -м(((Фэн(2((н)1} 6.(„еаза

55 6l н("грн(5((.н()+6. "„еа(1 матрица 3 с криволинейными стенками для создания боковой пригрузки модели 4 из оптически-активного материала и нагрузоч-, ное устройство 5, содержащее раздвижную. соединенную пружиной 6 и напрэвляющи- 5 ми 7 с болтом 8 нагрузочную плиту 9 и дополнительный груз 10, снабженный подвесом 11, стягивающей пружиной 12 и болтом 13, и опирающееся на эластичную гидравлическую подушку 14, соединенную с 10 матрицей 3 демпфером в виде перепускного клапана 15.

Способ моделирования горного давления на центрифуге, предусматривающий применение предложенной каретки, вклю- 15 чает в себя следующие операции и реализуется следующим образом.

1. Исходя из условий моделирования, требующих воспроизведения на модели бокового распора в соответствии с законом 20 а= d(Z), определяют форму Х = f(Z) боковой поверхности матрицы, учитывая следу(югщее, После сдвига модели внутрь матрицы на величину hh модель получит дополнитель- 25 ную пригрузку боков .

E f Z) . ? Щ

vE f 2)/ . 30

1 -т 1Ю т;к. модель сдвигается как твердое тело и 6 = 0, а ех = — Ь hf (Z)/f{Z).

После включения центрифуги удельный 35 вес материала становится равным у =peÐ (R + Н - Z), а давление от груза массой mp = m qÐ Rc /S.

Исли Gbi боковые стенки были парал- 40 лельнй оси Z, т,е. ьх = О, то вследствие их жесткости напряжения и деформации в модели, порожденные вращением центрифуги, определялись бы соотношениями с4 = — (р + J ydZ ) =- uf t " +

+ р(Н - Z) (2 R + Н вЂ” Z )), o 3 — 4

1 — ъг

Е откуда Ц, (Z Jg Е(Р2 1 — и 6ЯРо

+рф — 3Z (R+ J-()+3H(2R+ Н))

Поскольку боковые стенки криволийей ны, модель испытываетдополнительные боковые деформации ex = AUz f (Z)/f(Z), порождающие напряжения

0x = EEx = EAUzf (Z )/f(Z) =

=-((— t J С " +gzz — зг(н+н1 Г1 е

+ ЗН(2В+ H)) Таким образом, в результате сдвига модели в глубь матрицы и вращения центрифуги в модели формируется поле напряжений гг, гг, ггг ttÄ-- гz! — tp(tt-zl(zZ гг-г((2 )CD Qw Rà — (гг Г(+p(z zz(ztttl ьн(О н(г, а Е5Ь1 (е) ((-У) J f (z)

1(Е! !

Пусть требуется смоделировать закон изменения боковых нагрузок с глубиной, соответствующей выражению о, — àî2, где

a= d(Z) — коэффициент бокового распора.

Определим форму боковых стенок матрицы, приравняв соответствующие вйражения для ох и acrz . В результате получает дифференциальное уравнение ((а((- (а 6гггН г и *(— " г(г -гг(г tttttt III((г г, г,г решением которого с граничным условием f(H) = (будет функция

При этом длина нижней части (основания)модели равна

1756561

zÓÐ(t-0 I (+P ll(e Riv))

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

Устанавливают в матрицу модель 4 иэ оптически-активного материала, смазанную

Ilo торцам консйстентной смазкой.

Сдвигают модель внутри матрицы на величину Л h.

Во избежание разрушения модели 4 при дополнйтельном нагружении вертикальной йатрузкой 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 устайавлизают плиту 9 нагрузочного устройства

5.

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

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

Н =21 =02 м; R=2,5м; Во=2,7м; S

-2 10 м; а - 1,25. Пусть.используется on— тически-активный материал плотностью

1500 кг/м с модулем упругости 100 МПа и коэффициентом Пуассона 0,5. При этом показатель степени в соотношении. определяющем форму боковых стейок, равен (а — м)/(1 -Р) = 1

Из приведенных формул следует, что отклонение стенок. модели от вертикали значительно увеличивается с ростом угловой скорости вращения центрифуги (измеряемой в рад/c) и уменьшается, хотя и в меньшей степенй, при увеличении модуля

:упругости испытываемого материала, Реэультатй Соответствующих расчетов представлены в таблице, Таким образом, для каждого конкретного эксперимента всегда можно подобрать наиболее целесообразное сочетание параметровв, mu hh.

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

15 ления, включающий размещение модели в каретке центрифуги, создание нагрузки на модель, увеличение нагрузки модели ускорением и измерение физических параметров-модели, о т л и ч а ю щ и и С я тем. что, с

20 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 матрйце, осуществляют дополнительную пригрузку модели плавной посадкой нагрузочной плиты через эластичную гидравлическую подушку с де30 мпфером, причем скорость посадки определяют по тарировочному графику зависимости перемещения плиты от ускорения центрифуги, а форму криволинейных стенок матрицы задают подбором ее эле35 ментов, предварйтельно определив по формуле

ЗьР(р(н-г1(яьн-г)@

< L e>P J - г г и z — р г -зг(яен1.зн(аа+н)) + †- -11 6Eah(1-ЬН

5 ( (1. гч

40 где N — 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 по50 верхности гидравлической подушки до начала деформации, Н вЂ” высота матрицы, Š— модуль 10нга, 1 - коэффициент flyaccoна, р — плотность материала модели, m— масса груза. создающего дополнительную

55 вертикальную пригрузку, d(Z) — моделируемый закон изменения бокового давления с глубиной, Ь h — величина сдвига модели в глубь матрицы, а- коэффициент бокового распора, Z — расстояние от оси вращения до

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

Формула изобретения

1. Способ моделирования горного дав1756561 начальной поверхности деформирующей гидроподушки, L — максимальное расстояние от продольной оси устройства до криво линейной 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 матрицу, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено эластичной гидравлической подушкой с демпфером в виде перепускнога клапана, размещенной между нагрузочным

5 приспособлением и моделью, при этом на. грузочное приспособление выполнено из верхней и нижней частей, соединенных между собой и состоящих каждая из двух подп ружиненных друг относительно друга

10 половин.

1756561

Составитель С.Никитин

Техред М.Моргентал Корректор Н,Гунько

Редактор .О.Стенина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, yn,Гагарина, 101

Заказ 3072 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5