ПОГРУЖНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КРЕПОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
SUBMERSIBLE METRE OF ROCK STRENGTH

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения крепости горных пород в окрестности подземных горных выработок.
Известен гидравлический прибор БП18 для определения прочности горных пород в массиве [1]. Он состоит из плунжера, цилиндра, упорного стержня с твердосплавным коническим индентором, расклинивающего устройства и измерительного механизма, включающего рычаги, тросы и индикаторы часового типа. Принцип действия прибора основан на измерении усилия вдавливания индентора в забой скважины.
Недостатком прибора БП18 является невозможность определения прочности горных пород по всей длине скважины за один цикл исследования требуется проведение углубки скважины для каждой глубины, на которой необходимо определить прочность пород, с демонтажем устройства, что снижает производительность труда при проведении исследований.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является погружное устройство для измерения крепости горных пород в скважинах приконтурного массива выработок [2], включающее в себя измерительную головку, содержащую гидроцилиндр, нагрузочный поршень со штоком, оканчивающимся пуансоном (в действительности являющимся индентором), взаимодействующим с горной породой, при этом шток нагрузочного поршня выполнен конусным на участке взаимодействия со штоком измерителя линейных перемещений.
Недостатком устройства [2] является общая конструктивная сложность и невозможность его использования при определении крепости высоко крепких пород ввиду невозможности получения больших усилий на инденторе.
Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона использования прибора на любые по крепости горные породы путем создания усилий на индентор, достаточных для его внедрения во все практически возможные для измерения горные породы.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается погружной измеритель крепости горных пород, включающий гидроцилиндр, нагрузочный поршень со штоком, оснащенным индентором, при этом гидроцилиндр выполнен с тремя концентрическими полостями: входной, кольцевой и напорной, и оснащен дополнительным бесштоковым поршнем с двумя цилиндрическими поверхностями, взаимодействующими с входной и кольцевой полостями гидроцилиндра, а между кольцевой полостью под дополнительным бесштоковым поршнем и напорной полостью нагрузочного поршня со штоком обеспечена гидравлическая связь посредством канала.
Предлагаемый погружной измеритель крепости горных пород показан на чертеже. Он состоит из корпуса гидроцилиндра 1 с тремя концентрическими полостями: входной А, кольцевой В и напорной С. Бесштоковый поршень 2 своими цилиндрическими поверхностями D и Е взаимодействует с поверхностью входной А и кольцевой В полостей соответственно. Нагрузочный поршень 3 со штоком 4 помещается в напорной полости С и оснащен индентором 5, взаимодействующим с горной породой 6. Кольцевая полость В имеет гидравлическую связь с напорной полостью С через канал 7. Каналы 8 и 9 предназначены для подвода рабочей жидкости во входную полость А гидроцилиндра и в штоковое пространство напорной полости С.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Погружной измеритель крепости горных пород погружается с помощью штанги в скважину на заданную глубину, на которой необходимо определить крепость пород. Рабочая жидкость через канал 8 подается во входную полость А гидроцилиндра 1, что приводит к перемещению бесштокового поршня 2 вниз, вследствие чего жидкость, находящаяся в кольцевой полости В, перегоняется в напорную полость С через канал 7, воздействует на нагрузочный поршень 3 и приводит его в движение. Посредством перемещения нагрузочного поршня 3 осуществляется воздействие индентора 5, прикрепленного к штоку 4, на горную породу 6 с усилием Р. Регистрация момента разрушения горной породы 6 индентором 5 осуществляется по падению давления жидкости во входной полости А.
Возврат бесштокового поршня 2 и нагрузочного поршня 3 в положение, предшествующее началу проведения измерения, осуществляется путем подачи жидкости через канал 9 в штоковое пространство напорной полости С, что приводит к перемещению нагрузочного поршня 3 в обратном направлении, вытеснению жидкости из напорной полости С через канал 7 в кольцевую полость В и перемещению бесштокового поршня 2 в исходное положение.
Конструкция предлагаемого погружного измерителя крепости горных пород позволяет достигать усиления нагрузки, с которой осуществляется воздействие индентора на горную породу, по сравнению с давлением подводимой жидкости.
Принцип усиления, лежащий в основе предлагаемого измерителя можно пояснить следующим образом.
1
2
3
Бесштоковый поршень в полости А имеет площадь сечения S, а в кольцевой полости В - площадь S, и площадь нагрузочного поршня равна S.
0
0
1
1
2
1
0
1
1
2
При подаче жидкости в полость А под давлением q на поршень 2 будет воздействовать усилие q·S. Это усилие уравновесится силой q·S, где q - давление, возникающее в кольцевой полости В, q·S=q·S, откуда
Рассматривая равновесие поршня 3 со штоком 4 под действием давления и силы сопротивления внедрению индентора Р, можно записать, что
1
Подставляя в (2) давление q из (1), найдем, что
,
2
1
3
но так как S=S-S, то окончательно получим
3
1
2
3
Из приведенного соотношения видно, что при стремлении площади S к площади S, усилие Р теоретически может достигать бесконечных величин, что позволяет изменением площадей S и S достигнуть на инденторе усилий, гарантированно достаточных для внедрения индентора во все практически возможные к исследованию горные породы.
1
0
Так, если принять , то по (1) q=4·q, т.е. произойдет увеличение давления в напорной полости С в 4 раза. Это означает, что подавая в полость А давление 25 МПа, в полости С получим 100 МПа.
Источники информации
1. Петухов И.М., Егоров П.В., Винокур Б.Ш. Предотвращение горных ударов на рудниках // М.: Недра. 1984, с.67.
2. Патент на изобретение RU 2230904 С2.