Приборы измерения смещения горной породы возле горной выработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЦЕЛЬ

2. Универсальная стойка СУII

3. Реостатные стойки СР2, СР3

4. Репер

5. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗКИ НА РАМНЫЕ И СПЛОШНЫЕ КРЕПИ

5.1 Динамометры МСД-30 и МСД-50

5.2 Электрические динамометры ЭД-5 и ЭД-10

5.3 Динамометрическая тюбинговая крепь ДТК

6. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И КОНТРОЛЯ НАДЁЖНОСТИ АНКЕРНОЙ КРЕПИ

6.1 Измеритель конечного диаметра скважины ИКДС

6.2 Динамометр гидравлический анкерный ДГА

6.3 Ключ динамометрический КДМ-5

6.4 Прибор для определения прочности закрепления анкеров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В земной коре вышележащие слои пород своей массой давят на нижележащие, а последние сопротивляются этому давлению. Таким образом, в нетронутом горными работами массиве эти силы находятся в равновесии, а породы - в напряжённом состоянии. Поэтому всякая частица горной породы испытывает давление не только сверху и снизу, но и с боков. Это вызывает появление в ней равных по величине, но противоположных по направлению внутренних сил, так называемых сил упругости.

До проведения горной выработки слои горных пород плотно примыкают один к другому (находятся в естественной связи), причём каждый из них выдерживает нагрузку вышележащих слоёв.

При проведении горной выработки слоя это равновесие нарушается, происходит перераспределение напряжений вокруг горной выработки. Последние могут превзойти предел прочности пород, произойдут и разрушение, и смещение. Смещения могут быть настолько велики, что сплошность пород будет нарушена, появятся расслоения, трещины, а в дальнейшем и обрушения. Такие явления, возникающие в массиве горных пород после проведения выработки, называются деформациями пород. Смещения делятся на два вида: абсолютные и относительные. Абсолютное смещение кровли, почвы и боков сооружения (обычно в вертикальной и горизонтальной плоскостях). В этом случае смещения пород кровли, почвы и боков изучаются и определяются независимо. Для этих целей применяются в основном маркшейдерские приборы (измерения в миллиметрах. Относительные смещения - это смещения пород кровли, почвы и боков сооружения друг относительно друга, т.е. смещения кровли и почвы и обоих боков сооружения определяются совместно (суммарно), а не раздельно, как абсолютные смещения (также в миллиметрах). Наблюдения за абсолютным и относительным смещением горных пород проводятся как непосредственно в подземных сооружениях, так и в массивах пород, окружающих сооружения. Во втором случае используют для этой цели скважины, которые пробуриваются в массиве пород на различную глубину. В скважине закрепляют обычно неподвижно один конец репера или проволоки. Другой конец репера или проволоки выводят из скважины в сооружение (выработку) и присоединяют к измерительному прибору, при помощи которого определяют величину и скорость смещения непосредственно обнаженных пород в массиве залегающих на различном расстоянии от поверхностей их обнажения.



1. ЦЕЛЬ

Сложность процесса деформирования пород вокруг выработок, отсутствие достоверных сведений о компонентах напряжённого состояния массива и его физико-механических характеристик ограничивают область применения аналитических решений для расчёта смещений и нагрузок на крепь. Поэтому выявление всех особенностей проявлений горного давления производят при помощи инструментальных наблюдений в подземных выработках. Эти наблюдения позволяют получить достоверные сведения о величине и характере проявлений горного давления, необходимых для расчёта и конструирования надёжных и экономически выгодных крепей.

Поскольку применение аналитических решений ограничено, то в этой работе мы рассмотрим применение приборов для измерения смещения пород в подземных сооружениях.

В работе будут рассмотрены следующие приборы измерения смещения горной породы возле горной выработки:

1. Универсальная стойка СУII

2. Реостатные стойки СР2, СР3

3. Репер

4. Приборы для измерения нагрузки на рамные и сплошные крепи

4.1. Динамометры МСД-30 и МСД-50

4.2. Электрические динамометры ЭД-5 и ЭД-10

4.3. Динамометрическая тюбинговая крепь ДТК

5. Приборы для определения работоспособности и контроля надёжности анкерной крепи

5.1. Измеритель конечного диаметра скважины ИКДС

5.2. Динамометр гидравлический анкерный ДГА

5.3. Ключ динамометрический КДМ-5

5.4. Прибор для определения прочности закрепления анкеров



2. Универсальная стойка СУII

Универсальная стойка СУ-II предназначена для замера относительного смещения пород в подземных выработках небольшой высоты. Она состоит из четырёх штанг: нижней штанги 1, средней штанги 2, верхней штанги - телескопической трубы 6 и малой штанги 3. Штанги посредством втулок и наконечников соединяются между собой.

Рисунок 2.1 - Универсальная стойка СУ-II

Нижняя штанга 1 представляет собой трубу, на концах которой с одной стороны помещён наконечник, а с другой - втулка с винтовой нарезкой. Наконечники на средней 2 и малой 3 штангах имеют резьбу.

Верхняя телескопическая штанга состоит из двух труб: внутренней 4 и наружной 6. На внутренней трубе укреплена масштабная линейка 5 с миллиметровой шкалой и хомутик, который охватывает внутреннюю трубу и жёстко связан с верхним контуром пружины. Для фиксации любого положения труб штанги служит стопорный болт.

Универсальная стойка СУ-II может применяться без самописца и с самописцем. В последнем случае регистрация смещения пород происходит непрерывно, сдвижение пород перемещает внутреннюю трубу телескопической штанги. Эта труба, будучи зажата хомутом, перемещаясь, сжимает пружину. Величина перемещения трубы отмечается по линейке указателем, нанесённым на прорези втулки, которая укреплена на верхней части наружной трубы.

Техническая характеристика стойки СУ-II

Минимальная высота стойки, мм	700
Максимальная высота стойки без дополнительных штанг, мм	1200
Максимальная высота стойки с дополнительными штангами, мм	2500
Высота средней и нижней штанг, мм	500
Высота малой штанги, мм	300
Внешний диаметр штанг, мм	32
Цена деления шкалы телескопической штанги, мм	1
Масса комплекта стойки, кг	3,5
Масса комплекта стойки в футляре, кг	3,2

В тех случаях, когда требуется с большой точностью замерить вертикальные перемещение пород, можно применить стойку СУ-II с индикаторной , позволяющую определить смещения пород с точностью до 0,002 мм.



3. Реостатные стойки СР-2 и СР-3

Реостатные стойки СР-2 и СР-3 предназначены для дистанционного измерения абсолютных смещений и расслоения пород в окрестностях подземных сооружений. Они устанавливаются в шпурах диаметров 32 мм и больше, пробуренных под любым углом к поверхности обнажения пород. Стойки применяются в комплексе с искробезопасным заменителем деформации ИИД-3 конструкции ИГД СО РАН.

Стойки СР-2 и СР-3 состоят из наружной 1 и внутренней 2 телескопических труб, реостатного датчика, верхнего наконечника 3 с замком и нижнего наконечника 4 с резьбой.

Реостатный датчик расположен во внутренней трубе 2 и состоит из двух проволочек 5, наклеенных на направляющих текстолитовых пластинках, двух проволочных резисторов, намотанных в общем каркасе 6, и штока 7 со скользящими контактами 8. Шток жёстко связан с наружной телескопической трубой 1 через верхний наконечник 3 с замком.

При перемещении телескопических труб 1 и 2 относительно друг друга меняется положение движка, т.е. контактов 8 на проволочках 5 и, следовательно, меняется величина сопротивления реостатного датчика.



Рисунок 3.1 - Реостатная стойка СР-2 и СР-3 (а - схема устройства стоек; б - электрическая схема стоек)

Техническая характеристика стоек СР-2 и СР-3

Параметры	СР-2	СР-3
Исполнение	Искробезопасное
Диапазон непрерывного измерения, мм	600	300
Чувствительность, мм	0,01	0,01
Минимальное измеряемое расстояние, мм: без штанг	1585	800
со штангами	2385	-
Электрическое сопротивление датчика, Ом	30	14
Электрическая схема соединения датчиков	Полумостовая
Масса, кг	1,5	0,5
Диаметр, мм	30	30

Электрическая схема стоек СР-2 и СР-3 показана на. Выводы от стоек подключают соответственно к клеммам искробезопасного измерителя деформации ИИД-3.



4. Реперы контурные и глубинные

Совместно с приборами для измерения смещений пород на контуре сооружения применяют контурные реперы (обычно длиной до 0,3-0,4 м в зависимости от устойчивости пород), которые устанавливают и надёжно закрепляют в шпурах длиной несколько меньшей длины репера, глубинные реперы - для измерения смещений и расслоений пород массива на различном удалении от контура сооружения (обычно до 6-8 м). Реперы служат опорными точками для определения смещений пород в выработке в одних и тех же местах на протяжении всего времени наблюдений.

На рисунке показаны характерные схемы установки контурных и глубинных реперов в кровле почве и боках горных выработок.

Рисунок 4.1 - Схема установки реперов в горной выработке (а - контурных; б - глубинных)



5. Приборы для измерения нагрузки на рамные и сплошные крепи

В результате взаимодействия крепи (обделки) подземного сооружения и окружающего породного массива формируется нагрузка на крепь сооружения. Крепь является элементов единой деформируемой системы «крепь-массив».

Под нагрузкой на крепь подземного сооружения понимают силы, обусловленные весом вышележащей толщи массива горных пород в пределах возможного вывала. Основными видами силовых воздействий, которым подвергается система «крепь-массив», являются следующие: собственный вес горных пород (гравитационные силы или силы тяжести), тектоническое поле начальных напряжений, гидростатическое давление подземных вод, сейсмические воздействия землетрясений и взрывов ВВ при велении горных работ (главным образом воздействия массовых взрывов).

Для проверки и уточнения результатов определения нагрузок на крепи аналитическими методами зачастую производят замеры нагрузок на крепи в производственных условиях, т.е. непосредственно в горных выработках подземных сооружениях. Для замера нагрузок на крепь горных выработок применяют специальные приборы, называемые динамометрами. Имеется много различных конструкций динамометров, которые по принципу действия могут быть отнесены к четырем группам: механические, гидравлические, электрические, индуктивные.

Замеры нагрузок на крепи производят на характерных участках выработок (в основном длиной 40-50 м), называемых наблюдательными станциями. На них кроме замеров нагрузок на крепь обычно определяют смещение пород путем закладки контурных глубинных реперов. А именно, рассмотрим динамометры МСД, электрические динамометры ЭД, динамометрическая тюбинговая крепь.



5.1 Динамометры МСД-30 и МСД-50

Динамометры МСД-30 и МСД-50 предназначены для измерения нагрузок на деревянные, металлические и железобетонные рамные крепи горных выработок. Кроме того, они используются в качестве измерительных средств в динамических крепях. Они устанавливаются обычно под стойки и верхняки крепи.

Механический стоечный динамометр состоит из металлической опоры 6, соединительного кольца 5 и крышки 1. На опору устанавливается пружина 4, на ней располагается мембрана 3, которая имеет регулировочный винт 7. К крыше крепится рычаг 2 одним концом, а второй конец свободно выводится в отверстие крышки, на который устанавливается индикаторный измеритель часового типа ИИ-2У8.

Рисунок 5.1.1 - Конструкция механического стоечного динамометра МСД



Принцип действия динамометров основан на измерении упругих деформаций чувствительного элемента возникающих под влиянием приложенных усилий. Деформации чувствительного элемента измеряют индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. В качестве чувствительного элемента динамометров используется мембрана, прогиб которой зависит от величины прикладываемого усилия.

P=f(h)

Где P - прикладываемое усилие; f - некоторая функциональная зависимость; h - величина прогиба мембраны.

Величина прогиба мембраны увеличивается в несколько раз с помощью рычага фиксируется индикаторным измерителем ИИ-2У или самописцем, для которых в динамометре предусмотрено специальное гнездо колпачком.

Динамометр МСД-30 рассчитан на предельную измеряемую силу 300 кН (30тс), динамометр МСД-50 - 500 кН (50тс). Масса динамометра МСД-30 - 7,8 кг, динамометра МСД-50 - 9,5 кг.

5.2 Электрические динамометры ЭД-5 и ЭД-10

Электрические динамометры ЭД-5 и ЭД-10 предназначены для дистанционного измерения нагрузки на рамные, монолитные бетонные и сборные железобетонные крепи подземных сооружений. Кроме того, они могут быть применены в динамометрических крепях, встроены в элементы крепи с помощью динамометрических муфт, опорных площадок и др.

Динамометры рассчитаны на работу с искробезопасными измерителем деформации ИИД-3. Динамометры состоят из цилиндрического корпуса 1 и полусферической крышки 2. В корпус встроена прямоугольная мембрана 3 с наклеенными на неё тензодатчиками 4. На мембрану опирается шарик 5, вставленный в крышку. Крышка и корпус могут перемещаться относительно друг друга. При изменении нагрузки шарик давит на мембрану и деформирует её. Деформация мембраны вызывает изменение сопротивления проволочных датчиков, которое фиксирует измеритель деформации ИИД-3. По показаниям прибора ИИД-3 и графикам определяется величина нагрузки.

Рисунок - 5.2.1 Конструкция электрического динамометра ЭД-5 и ЭД10

Технические характеристики электрических динамометров ЭД5 и ЭД-10

Параметры	ЭД-5	ЭД-10
Исполнение	Искробезопасное
Предельная измеряемая сила, кН	50	100
Максимальный прогиб мембраны, мм	1	1
Точность отсчёта, Н	35	70
Основные размеры прибора, мм: диаметр	90	90
высота	95,9	97
Масса, кг	3,5	3,6

Для измерения хода рычага динамометров МСД-30 и МСД-50 при их нагружении используется индикаторный измеритель ИИ-2У часового типа, который перед началом тарировки динамометра вставляется в специальное отверстие корпуса динамометра. Нагрузки на электрические динамометры ЭД-5 и ЭД-10 регистрируются искробезопасным измерителем деформации ИИД-3, к которому они подключаются.

После сборки и подготовки динамометра и регистрирующего прибора (устройства для тарировки) динамометр устанавливают в центре опорной плиты пресса. Перед началом нагружения динамометра записывают показание индикатора ИИ-2У, искробезопасного измерителя деформации ИИД-3.

Затем приводят в действие пресс и нагружают динамометр со скоростью 1-2 кН в секунду. Выбранную скорость нагружения сохраняют до окончания тарировки прибора.

Каждый динамометр тарируют в интервале усилий от нуля до предельной величины нагрузки указанной в его технической характеристике. В этом интервале усилий динамометр равномерно нагружают и разгружают один-два раза. При каждом полном цикле нагрузки и разгрузки снимают показания со шкалы прибора или устройства следующих интервалах усилий:

· Динамометра ЭД-5 - через 8-10 кН, считая от нулевого деления шкалы пресса;

· Динамометра ЭД-10 - через 20-30 кН;

· Динамометра МСД-30 и МСД-50 - через 30-50 кН.

5.3 Динамометрическая тюбинговая крепь ДТК

Динамометрическая тюбинговая крепь ДТК предназначена для измерения нагрузок на тюбинговые крепи, в частности на гладкостенную тюбинговую тюбинговую крепь ГТК конструкции КузНИИшахстроя. Она состоит из железобетонных тюбингов 1 и металлических площадок 2, укреплённых на тюбингах с помощью закладных деталей и натяжных болтов. Между каждым тюбингом и металлической площадкой помещают динамометры или винтовые пружины сжатия 3, осадка которых прямо пропорциональна воспринимаемой нагрузке и измеряется индикатором часового типа 4.

Рисунок 5.3.1 - Динамометрический тюбинг крепи ДТК



6. Приборы для определения работоспособности и контроля надёжности анкерной крепи

Надёжная работа анкерной крепи и безопасное состояние заанкерованных пород в горных выработках, подземных сооружениях характеризуется следующими основными параметрами:

· Прочностью закрепления анкеров в породах;

· Натяжением анкеров при установке;

· Нагрузкой на крепь;

· Смещением и расслоением заанкерованных пород.

Поэтому решение вопросов возможности применения анкерной крепи в конкретных горно-геологических условиях, а также контроль надёжности работы анкерной крепи при эксплуатации горных выработок, подземных сооружений сводятся главным образом к определению и контролю названных параметров.

Достижение этих целей способствует использование следующие приборы: измеритель конечного диаметра скважины ИКДС, прибор для определения прочности закрепления анкеров, гаечный ключ с храповым механизмом, динамометр гидравлический анкерный ДГА, ключ динамометрический КДМ-5 - разберём данные прибор в отдельности.

6.1 Измеритель конечного диаметра скважины ИКДС

Прибор ИКДС состоит из шарика 1 диаметром 11,5 мм, пластинчатой пружины 2, конуса 3, лепестковой втулки 4, стержня 5, штока 6, соединительной муфты 7, стопорного винта 8, направляющей 9, лимба 10, фиксатора 11 и ограничителя 12.



Рисунок 6.1.1 - Измеритель конечного диаметра скважины ИКДС

Прибор ИКДС позволяет измерять диаметр скважин от 30 до 45 мм. Точность измерения 0,2 мм, масса прибора 3,1 кг.

К достоинствам можно отнести простоту конструкции, простоту её использования при снятии данных, к недостаткам небольшой диапазон измерения.

6.2 Динамометр гидравлический анкерный ДГА

Прибор ДГА предназначен для определения нагрузки на анкерную крепь выработок во время их эксплуатации. Он может быть так же использован для определения прочности закрепления анкеров.

Прибор ДГА состоит из корпуса 1 и плунжера 2. Корпус имеет центральное отверстие через которое проходит резьбовой конец анкера. Для заливки рабочей жидкости 3 (обычно индустриальное масло) в приборе имеется специальное отверстие, которое закрывается пробкой. Герметизация прибора обеспечивается уплотнительными кольцами. Прибор устанавливается на выступающий в выработку конец анкера. Давление воспринимаемое анкером фиксируется манометром 4 прибора. По показаниям манометра и графику определяется величина нагрузки на анкерную крепь в любой момент эксплуатации и выработки.



Рисунок 6.2.1 Конструкция прибора ДГА

Технические характеристики электрических динамометра ДГА

Предельная измеряемая сила, кН	150,0
Площадь кольцевого плунжера, мм2	5800,0
Ход плунжера, мм	8,0
Основные размеры прибора, мм: Длина	230,0
Ширина	120,0
Высота	80,0
Масса, кг	2,4

Для определения силы натяжения анкеров при установке применяются динамометры различных конструкций специальные шайбы, динамометрические ключи и другие приборы и устройства.

6.3 Ключ динамометрический КДМ-5

Величина натяжения анкера при его установке определяется по крутящему моменту создаваемому ключом КДМ-5. Ключ рассчитан на определенный максимальный крутящий момент. Ключ КДМ-5 5состоит из корпуса 1, внутрь которого вмонтировано отсчетное устройство состоящее из стакана 2, стержня-указателя 3, на котором нанесены деления тарировки пружины 4, храпового механизма 5, на наружную поверхность которого надеваются сменные насадки 6 под гайки M16, М20 и М24, фиксируемые с помощью установочного винта 7, рукоятки 8, соединенной шарнирно при помощи пальца 9 с корпусом ключа и резиновой втулки 10 для защиты корпуса от попадания в него угольной породной пыли, грязи.

Рисунок - 6.3.1 Ключ динамометрический КДМ-5

При достижении определенного крутящего момента рукоять 8 через палец 9 передаёт поступательное движение стакану 2, в дно которого упирается стержень-указатель 3, выходящий наружу корпуса 1 ключа.

По величине выхода стержня-указателя определяется приложенный к анкеру крутящий момент.

Последний по тренировочному графику пересчитан в силу натяжения анкера. Максимальная величина натяжения анкера, которая может быть измерена ключом КДМ-5, составляет 50 кН.

При многократном определении силы натяжения анкеров ключом КДМ-5 пружина 4 теряет первоначальную механическую характеристику. Поэтому её рекомендуется периодически заменять. Техническая характеристика ключа КДМ-5 представлена в таблице:



Техническая характеристика прибора КДМ-5

Максимальный крутящий момент, Нм	250,0
Рабочий ход рычага, мм	25,0
Передаточное отношение рычажной системы	4
Цена деления (на стержне-указателе), кН	5
Основные размеры прибора, мм: Длина	652,0
Ширина	68
Высота	92
Масса, кг	2,8

6.4 Прибор для определения прочности закрепления анкеров

Прибор ПКА предназначен для определения прочности закрепления анкеров как в момент их установки, так и в процессе эксплуатации выработок.

Он состоит из цилиндра 1 со шпоночной канавкой, внутри которого размещается тяговый винт 2, имеющий с одной стороны резьбу для крепления ручки 3, а с другой - резьбу для навинчивания на выступающий в выработку конец анкера. Сквозное отверстие в винте 2 позволяет без особых затруднений производить испытание анкеров. Верхняя часть цилиндра 1 выполнены в виде седла, на которое упирается шаровая опора 4. К выступу на наружной поверхности цилиндра двумя винтами 5 крепится корпус 6, который имеет кольцевую проточку для пружинного отпорного кольца 7. Последнее служит для удержания в корпусе натяжной гайки 8, упорного шарикоподшипника 9 и плунжера 10.

Полость А через отверстие, закрываемое пробкой 11, заполняется индустриальным маслом и сообщается через демпферное отверстие штуцера 12 с манометром 13. Манометр крепится к штуцеру при помощи гаек 14 и 15.

Для предотвращения утечки масла предусмотрены уплотнительные кольца 16, 17, 18 и прокладки 19, 20. Лабиринтные канавки 21 и уплотнительное кольцо 22 установлены с целью защиты шарикоподшипника от угольной и породной пыли. Техническая характеристика прибора ПКА представлена в таблице ниже.

Рисунок 6.4.1 - Конструкция пробора ПКА

Техническая характеристика прибора ПКА

Максимальное тяговое усилие, кН	110,0
Максимальный ход винта, мм	140,0
Площадь кольцевого плунжера, мм2	270,0
Максимальное рабочее давление, МПа	25,0
Основные размеры прибора, мм: Длина	315,0
Ширина	132,0
Высота	105,0
Масса, кг	10,4

При вращении натяжной гайки 8 по часовой стрелке гаечным ключом с храповиком (Рисунок 6.4.2) винт 2 со шпонкой 22, увлекая за собой конец анкера, вытягивается в полость цилиндра 1 и передаёт осевое усилие на шарикоподшипник 9 и плунжер 10. В Результате этого создаётся давление в полости А.



Рисунок - 6.4.2 Гаечный ключ с храповиком.

горный порода смещение анкер

Масло под давлением поступает в манометр 13 и вызывает отклонение его стрелки. По показаниям манометра и графику определяется прочность закрепления анкера.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассмотрены конструкции, принцип работы приборов для измерения смещений горных пород в подземных сооружениях, а также их технические характеристики. Применение этих приборов в работе шахт обязательно для предупреждения о возможных завалов и, как следствие, недопущение жертв.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Першин В. В., Будников П. М. Конструкции крепей подземных сооружений. Лабораторный практикум: Кемерово, 2011. - 119с.

Размещено на Allbest.ru

...