Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 9) (11) 3(51) Е 2 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ИЯ ЛЬСТ К ДВта 1 СК 0 вф9.о СССР966( 54 ) ( 57 ) СТЕНД ДЛЛИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛБОТОК, включающийполнения ее породнатурной породе,новленной внутривертикальный стволи контрольно-измеРу о т л и ч а ОБЪЕМНОГО МОДЕЬНЫХ ГОРНЫХ ВЫРА- емкость для зай, эквивалентной коаксиально уста- ее имитирующей трубой, пригруз ительную аппаратущ и й с я тем,(21) 3367919/22-03(прототип). что, с целью обеспечения имитациипроцесса выноса неустойчиаых породпрн изменяющихся параметрах дренаж"ного контура, он снабжен установленными между стенками емкости и ими- .тирующей трубой съемными фильтрую.щими перегородками и расположеннымпод имитирующей трубой фильтрующимперфорированным элементом с расходомером и задвижкой, внутри кото"рого коаксиально размещена с возможностью осевого перемещения перфорированная труба, а контрольно-измерительная аппаратура выполненав виде расположенных в наружномкольцевом зазоре имитирующей трубыдатчиков с установленными напротивних осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитирующей трубе и сфокусированнымина них источниками света.Известный стенд имитирует натуральные условия работы крепи на больших глубинах, однако имитацию выноса неустойчивых пород при изменяющихся параметрах дренажного контура получить практически невозможно.Целью изобретения является обеспечение имитации процесса выноса неустойчивых пород при изменяющихся параметрах дренажного контура,Поставленная цель достигается тем, что стенд для объемного моделирования вертикальных горных выра 30 35 40 боток, включающий емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующеЙвертикальный ствол трубой, пригрузи контрольно-измерительную аппаратуру, снабжен установленными междустенками емкости и имитирующей трубой съеМными Фильтрующими перегородками и расположенным под имитирующей трубой фильтрующим перфорированным элементом с расходомероми задвижкой, внутри которого коаксиально размещена с возможностью 45 50 осевого перемещения перфорированнаятруба, а контрольно-измерительнаяаппаратура выполнена в виде расположенных в наружном кольцевом зазореимитирующей трубы датчиков с уста новленными напротив них осевыми проводниками и приемниками света, закрепленными на имитирующей трубеи сфокусированными на них источниками света. Изобретение относится к горному делу и касается измерительной техники для проведения в стационарных условиях наблюдений за процессом выноса пород при моделировании гидро геологических условий, например, 5 на участках проходки шахтных стволов вертикальными щитами по обводненным неустойчивым породам.Известен прибор Г,Н. Каменского для определения коэффициента филь трации, содержащий имитирующую емкость с измерительной аппаратурой Г 1Недостатком укаэанного прибора . является то, что коэффициент фильтрации определяется в стабильном состоя-)5 нии без возможности проследить изменения его во времени в зависимости от различных параметров.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок, включающий емкость для заполнения ее породой, эквивалентной натурной породе, с коаксиально установленной внутри нее имитирующей трубой, пригруз и контрольно-измерительную аппаратуру 1.23. На Фиг. 1 дан общий вид стенда для объемного моделирования вертикальных горных выработок; на фиг. 2 - то же, вид сверху на фиг. 3 - узел 1 фиг, 1; на фиг. 4 - узел 1 Фиг. 1; на фиг. 5 - гидродинамическая схема потока у ствола; на фиг. б и 7 - схема участка проходимого шахтного ствола через водоносный горизонт под защитой глубинного водопонижения.Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок состоит из емкости 1, оборудованной впускными 2 и выпускными 3 кранами, съемными Фильтрукицими перегородками 4. Съемные фильтрующие перегородки закреплены в кольцевых выточках 5, которые расположены на основании б емкости. В центре емкости расположена имитирующая труба 7, представляющая собой толстостенный цилиндр с заточенной нижней кромкой. В нижней части имитирующей трубы по ее наружной поверхности закреплены датчики 8 (контактные ) и рядом с ними, но не касаясь, осевые проводники 9. С внутренней стороны имитирующей трубы расположены источники света.10, В основание емкости 1 вмонтирована труба 11 с обсыпкой, представляющая собой фильтрующий перфорированный элемент 12. Степень раскрытия последнего регулируется выдвижной перфорированной трубой 13 и муфтой 14, Выше фильтрую- щего перфорированного элемента установлены датчики 15 (фотоэлектрические ). Выпуск воды регулируется задвижкой Тб и расходомером 17, кото рые выполнены на фильтрующем перфорированном элементе 12.Стенд заполнен материалом 18, эквивалентным натурным породам, а в кольцевой зазор 19 поступает вода. Сверху стенда размещен пригруэ 20, имитирукщий равномерно распределенную нагрузку. Стенд для объемного моделирования вертикальных горных выработок работает в соответствии с гидродинамической схемой стока у ствола (см. Фиг. 5). В применяемой модели, как видно из Фиг. 5, б и 7, сохраняется Физическое и математическое подобие с соблюдением геометрического Фактора, причем засыпаемый в стенд материал эквивалентен натурному по Физико- механическим и фильтрационным характеристикам.Уравнение движения потока:в натурных условияхд= еаН.на модели на стенде )днлл фолл сдУЮ45 где Я, Й, - расход потока соответственно в натурныхусловиях и на моделистК, К - коэффициенты Фильтра-ции;щ, щщ - площадь поперечного 5сечения потокалН, дН - потери напора;1,0, - длина пути фильтрации;щ - мощность проходимогоучастка, 10При переходе от натурных условийк модели сохраняются масштабные Факторы:1й гмасштаб расходов - = Юфвмасштаб коэффициентов ФильтрацииКК Кммасштаб линейный- :с.- е,В натурных условиях радиус шахт.ного ствола ("с ) составляет 5,510,0 м, радиус дренажного контура ),г) 30-150 м, остаточный напорот 5 до 20 м.25Математическое подобие используется с учетом анологии между потенциальными полями, в которых количество потока, проходящего черезлюбую площадь поперечного сечения(идпропорционально градиенту некоторой.потенциальной величины, характеризующей энергию потока, При этомфильтрационный поток характеризуется:по количеству - расходом Япо энергии - напором МФильтрация - коэффициентомфильтрации К;закон движения жидкости /по Дарси/Я= КщеЗН 40Расчет осуществляется по Е.А.Замарину))(1 л),где 1 кр - критический градиентуЬ - объемный вес породы;пористость.Вынос пород отсутствует при выполнении условия см. Фиг. 7)фаустасВЫН50Максимальная высота выноса пескаиз под ножа щита в ствол составляетНцкс0,5 Нкр,05Исследования на стенде производятся следующим образом. 55Устанавливается съемная Фильтрующая перегородка 4 на требуемую величину г, а имитирующая труба 7в соответствии с величиной е засыпается эквивалентным материалом. 60Устанавливается пригруз 20 и заполняется кольцевой зазор 19 водой навеличину пк. Регулирование расхода,осуществляют задвижкой 1 б, устанав-. ленной на фильтрующем эквивалентномэлементе. Уровень воды эа наружной поверхностью имитирующей трубы регистрируется с помощью датчиков 8,установленных в ее стенке, и, напри"мер, прибором магнитоэлектрической системы или световым индикатором. В момент попадания индикатора (не показан ) образуется замкнутая электрическая цепь: источник питания - индикатор-осевой проводник - вода- датчик - источник питания, включая соединительные провода.Фиксирование начального момента выноса, например, песка и дальнейшее его развитие основывается на изменении Фотоэлектрического эффекта при изменении прозрачности среды. Степень прозрачности устанавливается по шрифту Снеллена нли цилинд.ру Геннера, и замеряется по линиисфокусированного светового лучана приемнике света. При этом проэрачность убывает прямо пропорционально количеству поступающего вместе с водой песчаных частиц, что отмечается регистрирующей аппаратурой, включенной в цепь датчиков 15.Поскольку предлагаемый стенд позволит изучить условия возникновения и развития выноса в шахтный ствол неустойчивых пород, один из главных неблагоприятных Факторов, осложняющих проходку вертикальным щитом с предварительным водопонижением, и скорректировать параметры и режим работы водопониэительной контурной системы скважин, расчет ожидаемого зкономического эффекта ведется, исходя из сравнения двух специальных способов проходки; вертикального щита с предварительным водопонижением и искусственного замораживания пород. Одновременно на стенде отрабатываются параметры центральной водопониэительной скважины которая позволит дополнительно уменьшить остаточный напор на участке шахтного ствола.Использование изобретения позволяет решать задачи по установлениюзависимостей исследуеьих параметров развития выноса неустойчивых пород в зависимости от физико-механическихсвойств пород пристволового целика, горно-геологических и гидрогеологических показателей, а также с учетом параметров водопонизительного контура (радиус контура, общее число скважин, суммарный дебит, расстояние между скважинами и т.д. ). Это позволит выбирать оптимальный по конструкции и эксплуатации дренаж с учетом фильтрационной устойчивости пород и тем самым предотвратить их вынос в ствол, крайне осложняющий щитовую проходку, 102 81241028124 Яайугчр Ш с ат 0572/9 Тираж 603ВНИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и открыти 13035, Москва, Ж, Раущская наб Заказ одпиСР 4/ лиал ППП фПатент", г. Ужгород, Ул. Проектная,Составитель Л. Черепенкинадактор С. Титова Техред Ж,Кастелевич Коррект