Устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки
DEVICE FOR MEASURING DEFORMATIONS ON THE WALLS OF A MINE

Изобретение относится к геомеханике и предназначено для измерения деформаций стенок горных выработок с последующим вычислением по ним действующих напряжений в массиве горных пород.
Известно устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки методом частичной разгрузки на больших базах, включающее реперы съемные цангового типа;  под них выбуривают отверстия непосредственно у забоя выработки на ее контуре, и с помощью индикаторной стойки измеряют ее диаметр в трех направлениях (Метод частичной разгрузки на большой базе. Н.П.Влох, А.В.Зубков, Ю.Г.Феклистов / Диагностика состояний породных массивов: Сб. тр. - Новосибирск: ИГД СО РАН СССР. 1980 - с.37-42).
Недостаток устройства и способа заключается в его сложности, что приводит к неточности в измерениях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту  является устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки методом частичной разгрузки на больших базах (RU № 2314417, публ. 10.01.2008), включающее  маркшейдерскую рулетку с передвижным нониусом, блок натяжения рулетки, съемные реперы с крючьями для зацепления рулетки. Реперы выполнены в виде двух разъемных металлических клиньев, на направляющей стороне первого металлического клина репера установлен конусный стопор, состоящий из конуса, пружины и резьбовой пробки, а в другом металлическом клине на всю длину выполнено отверстие с резьбой для крючка зацепления рулетки, со стороны крючка у основания приварены две металлические пластины, а на наружное резьбовое основание надета резиновая трубка.
Недостаток известного решения заключается в том, что глубина шпуров под реперы «до 200 мм при диаметре до 45 мм» и расположение уклона на клиньях таковы,  что при вибрациях от бурения под взрывные заряды  и при зачистных  работах после взрыва происходит  неконтролируемое расслабление и смещение клиньев. Это означает ослабление конусного стопора на малом клине, поскольку пружина стопора стремится вытолкнуть больший клин, который в исходном положении подпирает малый клин только за счет трения покоя. Действие суммарных сил от пружины стопора и от  рабочего натяжения  рулетки  перед вторым циклом измерений при неизбежных вибрациях, снижающих трение покоя, вызывают смещение большого клина в сторону более свободного положения. Это нарушает основу метода частичной разгрузки – стабильность реперных точек  в  массиве частично разгружаемой от горного давления породы на больших базах и не позволяет достигать достоверных измерений.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение арсенала устройств для измерения деформаций на стенках горной выработки надежного в эксплуатации и позволяющего получать более достоверные измерения.
Технический результат изобретения состоит в создании устройства для измерения деформаций на стенках горной выработки, позволяющего получать более достоверные измерения, более надежного и простого в эксплуатации.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для измерения деформаций на стенках горной выработки,   содержащего съёмные реперы  и измерительное устройство, причем реперы выполнены в виде металлических стержней с резьбой  на одном конце для соединения его с хвостовой частью анкера и имеющим защитный съемный колпачок, а на втором конце каждого съёмного репера размещена по посадке неподвижная наружная обойма подшипника качения, причем во вращающейся вокруг оси репера внутренней обойме подшипника жестко закреплен круглый стержень и на нём жестко закреплено кольцо, соединяющееся с крючком измерителя  длины в виде ленточного экстензометра.
Предлагаемое устройство для измерения деформаций на стенках горной выработки имеет следующие новые признаки:
-  репер выполнен в виде металлического стержня с резьбой на одном конце для соединения его с анкером и имеющим защитный съемный колпачок, а на втором конце каждого съёмного репера размещена по посадке неподвижная наружная обойма  подшипника качения, причем во вращающейся вокруг оси репера внутренней обойме подшипника жестко закреплен круглый стержень и на нём жестко закреплено кольцо;
- кольцо, свободно вращающееся в подшипнике на оси симметрии репера обеспечивает измерение по каждому направлению между реперами по кратчайшему расстоянию и с одинаковым натяжением, а значит, повышает точность измерений;
- установленный на хвостовой части анкера репер отвинчивается  и сохраняется невредимым  при буровзрывных и механизированных работах при проведении горных выработок, за счет защитного съемного колпачка;
Перечисленные новые отличительные признаки устройства существенно улучшают   его жесткость, надежность, обеспечивают стабильность положения реперной точки, а её смещение в новой конструкции может быть вызвано только действием внутренних напряжений  горного массива возникающих при проходке горной выработки, что и требуется для  измерения деформаций и расчета напряжений.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг.  1 – общий вид разреза горной выработки и шпуров с установленными съёмными реперами;
Фиг. 2 – съемный репер в сборе;
Фиг. 3 - геологический разрез в месте определения напряжений массива пород участка Панельного  откаточного орта, гор. -250 м (в направлении клетевого ствола);
Фиг. 4 - схема установки измерительных съемных реперов.
Устройство содержит репер 1 с резьбой 2 на одном конце для соединения его с анкером 3,  репер 1 имеет защитный съемный колпачок 4, подшипник качения 5, круглый стержень 6,  кольцо 7, соединяющееся с крючком 8  измерителя  длины в виде ленточного экстензометра 9.
Устройство работает следующим образом.
При проведении проходки забоя непосредственно в плоскости забоя пробуривают параллельно этой плоскости 3 – 6 шпуров глубиной 1,3 м диаметром 34-42 мм, в зависимости от типоразмера используемого бура стандартного горного оборудования.
Перед забиванием каждого анкера 3, заостренного спереди, к нему привинчивают забойник (на Фиг. не показано), а в шпур помещают достаточное количество самотвердеющей смеси. Анкер 3 вместе с забойником забивается в шпур до упора пока смесь сохраняет пластичность, и остается в покое до полного ее затвердения, что проверяется по фрагментам смеси, которые были выдавлены из шпура  при забивании анкера 3.
После затвердевания смеси забойник, вывинчивается из анкера 3, а на его место ввинчивается репер 1 посредством резьбы 2. Второй конец репера с размещенной на нем по посадке неподвижной наружной обоймой подшипника качения 5, и с закрепленным круглым стержнем 6 на вращающейся вокруг оси репера внутренней обойме подшипника с жестко закрепленным на нем кольцом 7 соединен через крючок 8 с измерителем  длины -  ленточным экстензометром 9.
При наличии подготовленной таким образом пары реперов их номера записываются и с помощью ленточного экстензометра 9 определяется минимальное расстояние между кольцами 7 при условии их свободного вращения на стержнях 6 под действием постоянного натяжения ленточным экстензометром 9. Замеры по диаметрам и хордам разных направлений заносятся в журнал. После окончания измерений каждый репер 1 вывинчивается из анкера 3, и его резьба сохраняется  навинчиванием  защитного съемного колпачка 4, все номера сверяются, и реперы 1 укладываются в футляр. В анкеры 3 завинчиваются или пробки с резьбой или забойники. Перечисленные операции позволяют после буровзрывных и механизированных работах при проведении горных выработок снова установить реперы 1 на те же места, поскольку анкеры 3 не сдвигались внутри шпуров благодаря  затвердеванию смеси и проводят следующие измерения.
Пример.
Оценка напряженно - деформированного состояния массива пород методом разгрузки на больших базах проведена на участке Панельного откаточного орта № 1 горизонт – 250 м. (в забое, в интервале 38,4 метра от маркшейдерской точки МТ 157, АО «Комбинат КМАруда», шахта им. Губкина). Выработка пройдена в кварцитах гемматит-магнетитовых плотных средне слоистых, мелкозернистых. Коэффициент крепости пород по Протодьяконову:16-17. Геологический разрез участка испытаний представлен на Фиг. 3.
Геометрические параметры выработки:
• высота выработки – 3700 мм;
• ширина выработки – 4400 мм.
В плоскости груди забоя пробурили параллельно этой плоскости 3 шпура глубиной 1,3 м диаметром 42 мм, Измерения выполнены при проходке горизонтальной выработки на полное сечение. Анкера 3 для измерения были установлены в центральной части кровли и в бортах выработки на высоте 1,5 м. и находились от груди забоя в 0,3 м. Схема установки реперной станции (несколько реперов) представлена на Фиг. 4. Перед измерениями произвели установку съемных реперов 1, которые вкручиваются в анкеры 3 посредством резьбы 2. Расстояния между реперами 1 измерялись в трёх направлениях по профилям установленных анкеров 3 ленточным экстензометром 9. Для этого крючок 8 ленточного экстензометра 9 соединяют с кольцом 7 закрепленным на круглом стержне 6 на вращающейся вокруг оси репера внутренней обойме подшипника качения 5.  Второй крючок ленточного экстензометра присоединили к кольцу  следующего съемного репера 1.
Замеры проводились два раза. Первый раз после установки в забое выработки, второй раз после проходки до 2-х размеров ширины выработки. После каждого произведенного измерения съемные анкеры 3 выкручиваются и резьбовая часть каждого съемного репера защищается  колпачком  4. Результаты измерений представлены в таблице 1.
Таблица 1
В результате расчета получены следующие значения:
• Максимальное напряжение: 1020 кгс/см2 (100,03 МПа);
• Минимальное напряжение: 148 кгс/см2 (14,51 МПа).
Так как, отношение измеренных максимальных напряжений к пределу прочности исследуемой породы на сжатие (в среднем для кварцита данного участка – 152 МПа) не превышает значения 0.8, согласно Приказу Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 08.12.2020 № 505 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" (Зарегистрирован 21.12.2020 № 61651), массив пород исследуемого участка не относится к склонным к горным ударам.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит получать более достоверные измерения, за счет неизменности непосредственных контактов реперных узлов с глубокими слоями горной породы и особо надежной конструкции самих узлов. Кроме того, устройство просто в исполнении и надежное эксплуатации, позволяющее обеспечить стабильность реперной точки.