УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА
DEVICE FOR ASSESSING THE STRESS-DEFORMED STATE OF A MINING MASS

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для проведения натурных исследований по определения напряженно-деформированного состояния горного массива.
Известно устройство для определения деформации стенок скважин (патент RU № 2191899, опубл. 27.10.2002 г), которое может быть использовано при определении напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Устройство содержит центральный стержень, установленные на нем соосно распорные упругие элементы и элемент передачи деформаций, преобразователь линейных перемещений и подключенный к нему блок индикации, размещенный в горной выработке. Центральный стержень снабжен головным элементом, на котором одним концом закреплены дополнительные центрирующие пружины и распорные упругие элементы. Элемент передачи деформаций выполнен в виде плоских пружин, расположенных диаметрально противоположно, одни концы которых закреплены на головном элементе, и параболической пружины, установленной соосно с центральным стержнем с возможностью свободного перемещения вдоль него. Концы параболической пружины жестко соединены с другими концами плоских пружин. Преобразователь линейных перемещений может быть выполнен в виде линейки герконов, установленной на центральном стержне, и ленточного магнита, закрепленного одним концом на внутренней поверхности параболической пружины в ее центральной части, а другой конец, которого размещен на линейке герконов с возможностью перемещения вдоль нее. Преобразователь линейных перемещений может быть снабжен упорным кольцом для регулировки его нулевого положения, установленным соосно на центральном стержне с упором на внешнюю поверхность параболической пружины.
Главным недостатком конструкции, является то, что устройство не позволяет получить полный тензор напряженно-деформированного состояния массива из-за отсутствия дополнительных упругих элементов между осями скважины.
Известно устройство для измерения деформаций на стенках скважин (авторское свидетельство СССР № 883434, опубл. 23.11.1981), включающее корпус, центрирующий шток, на котором расположена натяжная гайка и свободно насажена цилиндрическая пружина, ограниченная с торцов посредством шайб, крышку, жестко закрепленную на центрирующем штоке, уплотняющие манжеты, прижимные сегменты, имеющие конусную поверхность, выполненные с возможностью выдвижения к стенкам скважины, резиновые прокладки (пластины) и тензорезисторы, расположенные на прижимных сегментах.
Недостатком устройства является то, что при проникновении влаги из-за некачественной герметизации уплотняющими манжетами возможно замыкание тензорезисторов.
Известен деформометр для контроля НДС в блочных структурах геосферы (патент РФ № 2305186, опубл. 27.08.2007), включающий базовый зонд, по крайней мере, один измерительный зонд, соединенные штангами неподвижно и трубопроводами энергоносителя, и контроллер, соединенный с измерительными зондами электрокабелем, при этом базовый зонд состоит из корпуса и неподвижного распорного узла с опорными ножками, а измерительный зонд - из корпуса, распорного узла с опорными ножками и измерителя. Корпус измерительного зонда выполнен разъемным и состоит из силового и приборного патрубков, причем распорный узел измерительного зонда выполнен подвижным и размещен в силовом патрубке, а измеритель, в качестве которого использован растровый датчик перемещений с подвижным наконечником,- в приборном патрубке. Подвижный распорный узел снабжен направляющим стержнем, а силовой патрубок - направляющей втулкой, в которой закреплена неподвижная планка с фиксирующим гнездом для установки подвижного распорного узла в среднем положении. Направляющий стержень распорного узла пропущен через направляющую втулку и постоянно контактирует с подвижным наконечником растрового датчика перемещений.
Недостатками является размещение подвижного распорного узла в корпусе измерительного зонда усложняет конструкцию, что обуславливает низкую надежность работы деформометра. Конструктивное выполнение опорной ножки распорного узла в виде подвижного поршня со штоком неизбежно приводит к появлению зазоров, которые уменьшают точность измерений при знакопеременных величинах деформации массива, что приводит к снижению надежности работы деформометра.
Известен скважинный деформометр для измерения поперечной деформации (авторское свидетельство SU № 263246, опубл. 04.11.1970) Предложенный деформометр обеспечивает создание распора деформометра без изменения заранее установленного рабочего диапазона чувствительных элементов. Это происходит благодаря тому, что деформометр снабжен натяжным устройством, выполненным в виде упругой скобы с пружинами и штифтами, входящими в отверстия упругих лепестков и соединенными с ними при помощи клиньев и штоков.
Недостатком является то, что чувствительным элементом является тонкая с проволока, которая не позволить добиться необходимой точности измерений. При увеличении диаметра скважины может пропасть контакт чувствительных элементов с ее контуром.
Известно устройство для определения деформации стенок скважин, которое может быть использовано при определении напряженно-деформированного состояния массива горных пород (патент RU№ 2371578, опубл. 27.10.2009г) принятый за прототип, устройство содержит корпус, распорный узел и измерительный блок с датчиком перемещений, расположенный в корпусе последовательно, и контроллер, соединенный с измерительным блоком электро-кабелем. Распорный узел состоит из шарнирно соединенных между собой измерительного и распорного рычагов, стянутых пружиной. Свободные концы распорного и измерительного рычагов соединены с корпусом шарнирно, а свободный конец измерительного рычага при этом с возможностью ограниченного осевого перемещения в двух продольных боковых пазах корпуса. Наконечник датчика перемещений постоянно взаимодействует со свободным концом измерительного рычага.
Одним из существенных недостатков является низкая надёжность конструкции. Из-за ограниченного осевого перемещения измерительного ролика происходит поломка элементов устройства при попадании распорных элементов в трещины.
Техническим результатом является создание устройства повышенной надежности и увеличение точности полученных результатов.
0
0
Технический результат достигается тем, что дополнительно установлен блок фиксации, корпус которого выполнен в форме полого цилиндра, сверху и снизу установлены крышки с возможностью съема, а внутри установлен мотор редуктора, который соединен с валом редуктора и через отверстие в крышке снаружи соединен с фланцем, измерительный блок корпус которого, выполнен в форме полого цилиндра, внутри него установлена с возможностью съема крышка, которая делит его на две части, ещё две крышки с возможностью съема установлены сверху и снизу корпуса, а в его боковых поверхностях выполнены отверстия круглой формы под углом 90, двумя рядами смещенными относительно друг друга под углом 45, в кторые установлены оправы, которые закреплены с возможнотью сьема и в них на пружине установлены втулки с ферритовыми сердечниками в катушку индуктивности, которая крепиться на стойке вместе с платой, между блоком фиксации и измерительным блоком по центру крыжек, внутри измерительного блока установлена стойка на которой установлены катушки индуктивности с  феритовым сердечником и платами, затем закреплен мотор редуктора, который соединен с валом редуктора через отверстие в крышке снаружи соединен с фланцем, в верхней части которого встроены не  мене двух разъёмов для подключения питающего и информационного кабелей, в верхней и нижней части устройства, с внешней стороны фланецев закреплен распорный узел, который состоит из пантогрфа, включающего ползун в форме круглой пластины в центре котрой выполнено отверстие для установки вала редуктора, по её бокам жестко закреплено нижнее основание стойки распоров, а к верхнему  нижние стойки распоров, в центре на нижней стойке распоров установлены подвижные лапки, стойки установлены с внутренней стороны фланца и соединены через болтовое соединение с крышкой, блок фиксации и измерительный блок соединены между собой через подвижные штоки с пружинами, кторые установлены в отверстия крышек, питающий кабель через разъем подсоединен к измерительному блоку через редуктор в блок фиксации, информационный кабель через разъем подсоединен к измерительному блоку к платам.
Устройство для оценки напряжённо-деформированного состояния горного массива поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 – общая схема устройства;
фиг. 2 – общая схема устройства в разрезе;
фиг. 3 – схема расположения инденторов по одной оси;
фиг. 4 – схема расположения инденторов по двум осям;
фиг. 5 – схема расположения инденторов по четырем осям,
фиг. 6 – график с результатами измерений, где:
1 – блок фиксации;
2 – корпус;
3 – крышка;
4 – мотор редуктора;
5 – вал редуктора;
6 – фланец;
7 – измерительный блок;
8 – отверсия;
9 – втулка с ферритовыми сердечниками;
10 – платы;
11 – питающий разъём;
12 – пантогрф;
13 – стойки;
14 – подвижный шток с пружиной;
15 – лапка;
16 – ползун;
17 – стержень с феритовым сердечником;
18 – катушка индуктивности;
19 – стойка;
20 – информационный кабель;
21 – питающий кабель;
22 – пружина;
23 – оправа;
24 – ось Y;
25 – ось X;
26 – ось X';
27 – ось Y';
29 – распорный узел;
30 – информационный разьем.
Устройство для оценки напряжённо-деформированного состояния горного массива состоит из блока фиксации 1, который включает корпус 2 выполненный в форме полого цилиндра. Сверху и снизу к корпусу 2 с возможностью съема установлены крышки 3. Внутри корпуса 2 блока фиксации 1 установлен мотор редуктора 4 в нижней части соединен с валом редуктора 5, который через отверстие в крышке 3 снаружи соединен с фланцем 6.
0
0
0
0
Измерительный блок 7 который включает корпус 2 выполненный в форме пологого цилиндра, снизу к корпусу 2 сверху и снизу к корпусу 2 с возможностью съема установлены крышки 3. Внутри корпуса 2 установлена с возможностью съема крышка 3, которая разделяет корпус 2 на две части. В корпусе 2 измерительного блока 7 выполнены отверстия круглой формы под углом 90 от относительно друга. Отверстия 8 выполнены двумя рядами смещенными относительно друг друга под углом 45, что позволяет измерить деформации по оси X 24, оси Y 25, оси X' 26, оси Y' 27, соответстевнно по четырем осям (фиг.5). При расположений отверстий 8 под углом 90 позволит измерить деформации только по двум осям: ось X 25, ось Y 24(фиг. 4), под углом 180 по одной оси Y 24 (фиг. 3).
В отверстия 8 в оправу 23, которая снаружи крепиться с возможнотью сьема к корпусу 2 установлены втулки с ферритовыми сердечниками 9 на пружине 22 в катушку индуктивности 18, которая крепиться на стойки 19. На стойку 19 крепиться плата 10.
Между блоком фиксации 1 и измерительным блоком 7 по центру крыжек 3, внутри измерительного блока 7 установлена стойка 19 на которую установлены катушка индуктивности 18 с установлеными стерженями с феритовым сердечником 17, и плата 10. Затем закреплен мотор редуктора 4 в верхней части соединен с валом редуктора 5, который через отверстие в крышке 3 снаружи соединен с фланцем 6. В верхний фланец 6 встроены информационный разьем 30 для подключения информационного кабеля 20 и питающий разъём 11 для подключения питающего кабеля 21.
В верхней и нижней части устройства, с внешней стороны фланецев 6 закреплен распорный узел 29. Распорный узел 29 состоит из пантогрфа 12 включающего ползун 16 в форме круглой пластины в центре котрой выполнено отверстие для установки вала редуктора 5. По бокам пластины жестко закреплены нижнее основание стойки распоров, а к верхнему  жестко закреплены нижние стойки распоров. В центре на нижние стойки распоров установлены подвижные лапки. Стойки 13 установлены с внутренней стороны фланцем 6 и соединены через болтовое соединение с крышкой 3.
Блок фиксации 1 и измерительный блок 7 соединены между собой через подвижные штоки с пружинами 14 установленные в отверстия крышек 3.
Питающий кабель 21 через питающий разъем 11 подсоединяются к измерительному блоку 7 для соединеня с редуктором 4, далее в блок фиксации 1 для соединеня с редуктором 4.
Информационный кабель 20 через информационный разьем 30 подсоединяются к измерительному блоку 7 для соединеня с платами 10.
Устройство работает следующим образом. В скважину на требуемую глубину с помощью досылочных штанг надетых на фланец 6 устанавливают устройство. Через питающий разъем 11 подключается питающий кабель 21 через который подается напряжение на мотор редуктор 4, что приводит в движение распорный узел 29 при помощи вала редуктора 5 с передвигающимся по нему ползуном 16, что вызывает расклинивание и центрирование устройства в скважине при помощи пантографа 12 и лапок 15.
Непосредственное измерение заключается в том, что при деформировании скважины вследствие разгрузки втулки с ферритовыми сердечниками 9 под воздействием пружины 22 выдвигаются из катушки индуктивности 18 установленной на стойке 19, а также при помощи подвижного штока с пружиной 14 из катушки индуктивности 18 установленной на стойки 19 выдвигается стержень с ферритовым сердечником 17. При движении втулки с ферритовым сердечником 9 в катушки индуктивности 18 происходит изменение выходного сигнала на плате 10 пропорционально деформациям стенок скважины.
Данные по измерениям сохраняются на считывающем устройстве, которое подключается к датчику с помощью информационного кабеля 20 через информационный разъём 30. По данным измерений строиться график с результатами замеров (фиг. 5).
Увеличение точности устройства достигается за счёт конструкции измерительного устройства, состоящего из катушки индуктивности, ферритового стержня встроенного в оправу чувствительного элемента. Одновременное измерение пяти направлений деформации скважины в плоскостях X, X', Y, Y', Z позволяет уменьшить количество необходимых измерений при определении полного тензора напряжений в массиве. Повышенная надежность достигается за счёт конструкции и расположения пантографов, позволяющих плотно закрепить датчик в скважине, а так же за счёт двух независимых плат расположенных у каждой оси чувствительных элементов.