книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

Учитывая сложность решения задачи по определению величин динамических напряжении, возникающих в массиве при импульсном приложении силы, суммарная погрешность измерения в подавляю­ щем большинстве случаев может считаться вполне удовлетворитель­ ной, если она не превышает ± 2 0 —30% истинного значения.

В связи с тем, что промышленностью выпускаются лишь отдель­ ные элементы аппаратуры, которые далеко не всегда могут быть собраны в измерительные системы, отвечающие поставленным тре­ бованиям, выбор метода и типа аппаратуры для изучения динами­ ческих процессов необходимо вести, исходя из конкретных задач и условий эксперимента, имеющегося опыта эксплуатации той или другой аппаратуры и наличия отдельных блоков аппаратуры. От­ дельные элементы аппаратуры — датчики, предусилители, иногда, возможно, придется разрабатывать вновь.

Ниже, в качестве примера, приводятся характеристики несколь­ ких элементов измерительной аппаратуры, которые могут быть ис­ пользованы для решения рассматриваемых задач.

Тензометрическая аппаратура. Тензометрические усилители в искровзрывобезопасном исполнении, предназначенные для исследо­ вания динамических процессов, в настоящее время серийно не вы­ пускаются.

Отработка таких усилителей ведется во ВНИМИ (пятиканальный тензоусилитель ЗД —34 во взрывобезопасном исполнении и двухка­ нальный тензоусилитель СБ—10 в искробезопасном исполнении с автономными источниками питания) и в КузНИУИ ТСИ—4 (че­ тырехканальная тензостанция с автономным питанием в искробезо­ пасном исполнении). Эти усилители позволят производить измере­ ния в частотных диапазонах: СБ—10 от 0 до 300 гц, ТСИ—4 —

— от 0 до 200 гц.

Если при проведении эксперимента требования искробезопасности отсутствуют, то могут быть использованы существующие тензоусилители общего назначения [19, 42].

Наиболее пригодным для этих целей является тензометриче­ ский прибор типа Т—П М Ленинградского инструментального за­ вода. Прибор имеет следующие основные характеристики:

1. Пределы измерений относительных деформаций от 5 *10~7 до

2* 10-2.

2. Диапазон регистрируемых частот 5 — 30000 гц.

3.' Регистрация показаний с помощью шлейфового и катодного осциллографов.

4.Количество каналов — 3.

5.Габарнты 500 X 300 X 35U мм.

6.Питание от сети 220 вольт 50 гц.

7.Вес 17,2 кг.

140

Сейсмическая аппаратура.

1. Сейсмоприемники СПМ— 16, СПЭД—56, СМВ—30 [82] электродинамического типа позволяют производить измерения ко­ лебаний массива от 15 гц. Верхний предел определяется усилитель- но-регистрирующей аппаратурой.

Максимальное измеряемое ускорение для СПМ—16 равно llg , для СПЭД—56 равно 19 g при максимальных амплитудах смещения соответственно 500 и 800 мкм; подвесная система СМВ—30 имеет

ГБ—Ш—3 в частотном диапазоне 15—350 гц.

Для регистрации процессов с большими частотами необхо­ димо применять высокочастотные гальванометры (например, осцил­ лограф марки Н—105 с гальванометрами типа М004).

При исследованиях колебательных процессов, возбуждаемых взрывами или горными ударами, применяются также сейсмографы ВЭГИК, ВИБ и ВБП [40, 75].

2. Для регистрации высоких частот могут быть применены виброизмерительные станции с пьезоэлектрическими акселерометрами [6].

Осциллографы. Светолучевой шестиканальный взрывоискро­ безопасный осциллограф НООб Кишиневского з-да «Виброприбор» [6]. Частота регистрируемых процессов 0—3500 гц. Число одновре­ менно записываемых процессов — 5.

Кроме вышеприведенного, в условиях, когда требования искробезопасности отсутствуют, для регистрации динамических процес­ сов могут быть использованы осциллографы общего назначения [17] ч Из катодных осциллографов наибольшее применение нашел

двухлучевой осциллограф CI—24 (ОК—17л), имеющий ждущую однократную развертку, регулируемую в широком диапазоне, по­ зволяющий регистрировать процессы с частотой до 2 мгц на фото­ пленке 35 мм.

Калибровочные установки н устройства. Датчики калибруются на специальных калибровочных установках, разработанных метро­ логическими институтами.

141

ная установка УВЭК—0,1/10000. Эта установка позволяет калиб­ ровать датчики весом до 100 г в диапазоне частот 20 — 10000 гц при максимальном ускорении до 40^. При малых ускорениях воз­ можна калибровка датчиков весом до 250 г. Для калибровки дат­ чиков весом до 1000 г в диапазоне частот 50— 10000 гц может быть использована установка ВС—300—П конструкции ВНИИМ им. Д. И. Менделеева [29]. Описание автоматических и полуавто­ матических устройств для калибровки тензоаппаратуры и вибро­ метров приведено в работах [19, 60 и др.].

§ 17. Методы и аппаратура для исследования процессов взаимодействия элементов массивов горных пород

с элементами инженерных сооружений

Основными задачами натурных исследований процесса взаимо­ действия элементов массивов горных пород с элементами инженер­ ных сооружений являются: установление действующих нагрузок на инженерные сооружения и определение смещений и деформаций в элементах инженерных сооружений и массивах горных пород, окружающих их. Для решения этих задач используются приборы, которые условно подразделяются на 2 основные группы:

приборы для измерения сил и напряжений; приборы для измерения деформаций и перемещений элементов

сооружений и массивов горных пород.

К первой группе относятся: приборы для измерения сосредо­ точенных, либо распределенных нагрузок на элементы сооружений, а также для определения напряжений в элементах сооружений [31].

Ко второй группе — деформометры различного типа, нивелиры, фотограмметрическая аппаратура, рулетки, раздвижные измеритель­ ные стойки и т. п. [34, 35].

При выборе метода и измерительной аппаратуры для решения конкретной задачи необходимо руководствоваться следующими со­ ображениями:

тельное усилие, вес и т. п.) должны вносить минимальные искаже­ ния в исследуемый процесс. Так, при измерении нагрузок, дейст­ вующих на крепь, необходимо стремится использовать в качестве упругих элементов детали самой крепи, встраивая в них те или иные преобразователи;

142

в) эксплуатационные характеристики прибора должны обеспе­ чить возможность проведения эксперимента в течение всего задан­ ного интервала времени;

г) в случае необходимости одновременного снятия показаний с нескольких измерительных приборов, в комплект аппаратуры дол­ жен входить либо многоточечный самописец, либо отметчик вре­ мени. В ряде случаев эта задача может быть решена путем при­ менения коммутатора и одного регистрирующего прибора;

д) материалы тарировки измерительной аппаратуры, ее точ­ ностные и эксплуатационные характеристики, должны обеспечить сопоставимость полученных результатов с результатами, получен­ ными другими экспериментаторами при решении аналогичных задач.

Номенклатура применяемых в настоящее время приборов как первой, так и второй групп достаточна обширна, поэтому ниже приводится перечень и основные характеристики только наиболее

распространенных и положительно зарекомендовавших себя устройств, разработанных различными организациями страны.

Приборы для измерения сил и напряжений. Из м е х а н и ч е ­ с к их д и н а м о м е т р о в для стоечных крепей в настоящее время применяются:

Самопишущие динамометры типа ДЗ ВНИМИ [9]. В качестве упругого элемента в них использованы тарельчатые пружины, с максимальным прогибом порядка 2,5 мм. Протягивание бумаги производится от часового механизма с семисуточным заводом. Ши­ рина бумаги 24 мм. Предельная нагрузка 25 и 50 тонн. Масштаб записи соответственно 1,1 т1мм и 2,2 т]мм.

Динамометры типа МСД с самописцем СГД—1 [9], разрабо­ танные ИГД им. Скочинского с предельной нагрузкой на 60 и 30 тонн и типа 45Д— 135 и 50Д—180 на 45 и 50 тонн. Максимальный прогиб упругого элемента динамометров ^ 2 мм. Привод механиз­ ма протяжки бумаги — часовой механизм с семисуточным заводом. Чувствительность приборов^ 1 г..

Механические динамометры МСД—3 и МСД—4 [33] с отсче­ том по индикатору часового типа разработки КузНИУИ. К этим динамометрам также могут быть пристроены самописцы с часовым механизмом.

Для случая, когда исследователей интересует лишь максималь­ ная нагрузка, действовавшая на крепь, используются шариковые

143

По стабильности во времени и надежности в работе предпочте­ ние следует отдавать линамометрам со струнными преобразовате­ лями.

Применение преобразователей позволяет проводить дистанцион­ ные измерения, в труднодоступных или опасных местах, производить регистрацию показаний многих датчиков с одного места и на одном многоканальном автоматическом регистрирующем устройстве и, кроме того, значительно повысить производительность труда экспе­ риментаторов.

Датчики с преобразователями механической величины в элек­ трические, как правило, более жесткие по сравнению с механи­ ческими и менее подвержены воздействию внешних факторов (виб­ рации, влаги, перегрузки и т. п.).

Из стоечных динамометров струнного типа известны динамо­ метры типа ДСС, выпускаемые ВНИМИ на нагрузку 50,30 и 12 т [59]. Из динамометров с тензопреобразователями— приборы С—50 (ДонУГИ), ЭСД (ИГД им. Скочинского), ЭД (ИГД СО АН

СССР), ДНД, ДС (КузНИУИ).

I J

Рис. 21. Блок-схема измерителя интервалов вре­ мени СБ—6:

/ — блок возбуждения; 2 — усилитель; 3 — ключ; 4 — генератор эталонной частоты; 5 — счетчик.

Для регистрации сигналов с датчиков струнного типа (рис. 21) применяются станции типа ССМ—2, СБ—6 (ВНИМИ), ЦС (Гидро­ проект) и др. Для регистрации сигналов динамометров, имеющих электротензометрические преобразователи — приборы типа ВГ—2 и СБ—8 (ВНИМИ), АИД (КузНИУИ), ЭИ (ДонУГИ), ИИД (ИГД СО АН СССР) и др. (см. § 14).

Для металлических и деревянных штанговых крепей в настоя­ щее время применяются динамометры типа ДШП [58] с предела-' ми измерения от 2 до 15 тонн.

144

Чувствительность этих приборов порядка 0,001 от предела изме­ рения. Отсчет показаний производится по индикаторам часового типа. Максимальная деформация упругого элемента колеблется в пределах 5— 12 мм. К этим приборам разработаны самописцы с часовым механизмом, позволяющие производить непрервную за­ пись в течение семи суток на бумажную ленту шириной 24 мм.

При определении распределенной нагрузки, с целью исключения влияния неоднородности массива стремятся, использовать либо ди­ намометрические площадки, опирающиеся на обычные динамо­ метры, либо динамометрические баллоны, заполненные жидкостью. Только в тех случаях, когда площадь, на которой измеряется на­ грузка незначительна по величине, применяют отдельные динамо­ метры.

К наиболее распространенным динамометрам струнного типа, предназначенным для измерения распределенной нагрузки, дей­ ствующей на площадку достаточно большой величины (300X 300 мм) относятся приборы типа ДСР, грузоподъемностью 10 и 20 г. Чувст­ вительность этих приборов порядка 0,2% от верхнего предела измерения. Максимальная деформация около 0,1 мм.

Для измерения давления на контакте сооружения с породой на относительно небольшой площади, находит применение датчик ти­ па СДКС разработки ЦНИИСК Госстроя СССР [61]. Этот дат­ чик имеет гидравлический рычаг, что позволяет сделать его доста­ точно жестким. Выпускается семь типоразмеров датчиков на дав­ ления от 3 до 30 кг1см2.

При использовании динамометрической крепи с гидравлическими баллонами [36, 13, 41] (см. рис. 27) измеряют давление заполняю­ щей жидкости. Для этой цели могут быть использованы струнные манометры (например типа 2ДЗЗ, 1Д07, ЦНИИС или СД6), рассчитанные на давление от 5 до 250 кг}см2.

Регистрирующая аппаратура для этих динамометров такая же, как й для стоечных.

Из чисто механических приборов для определения распределен­ ных нагрузок известна динамометрическая крепь ДТК [22] кон­ струкции КузНИИшахтостроя, давление в которой воспринимается площадкой, опертой на винтовые пружины, фиксируемые индика­ торами часового типа.

Неплохо зарекомендовали себя механические динамометры в комплекте с битумными подушками конструкции ЦНИИПодземшахтостроя [41]. Известен также целый ряд других динамомет­ ров, основанных на самых различных принципах [9, 31, 59 и др.], однако по своим характеристикам они мало отличаются от рассмот­ ренных выше.

Особую группу составляют приборы, применяемые для измере­ ния параметров при исследовании механизированных крепей.

145

Определение величин давлений в гидравлических элементах крепи производится самопишущими манометрами типа РД —66, РД —66 и М—64 конструкции ИГД им. А. А. Скочинского [77]. Максималь­ ное измеряемое давление от 120 кг1см2 до 700 кг!см2.

При измерении величин давления в зависимости от перемеще­ ния подвижных элементов гидропривода (например давление в гид­ родомкратах передвижения в зависимости от выдвижения штоков) целесообразно применять самопишущий манометр МП—64 кон­ струкции ИГД им. А. А. Скочинского, в котором барабан с бу­ мажной лентой вращается не от часового механизма, а от пере­ мещения подвижного элемента исследуемого объекта.

Прибор может применяться для измерения • давления до 200; 400; 650 и 770 кг/см2 при перемещении подвижного элемента до 1100 мм.

Одновременная регистрация давления в стойках крепи и их подат­ ливости может производиться с помощью комбинированного само­ пишущего прибора СПД—65. Запись кривых давления и податли­ вости производится на одной ленте.

Измерение давления на перекрытия, а также усилий в шар­ нирных соединениях элементов механизированных крепей может производиться с помощью специальных измерительных пальцев с проволочными датчиками сопротивления.

Деформации изгиба пальца воспринимаются проволочными дат­ чиками сопротивления и регистрируются автоматической самопи­ шущей станцией, созданной на базе электронного потенциометра [57].

Приборы для измерения деформаций элементов сооружений. Деформации подрабатываемых сооружений определяются мето­ дами геометрического и гидростатического нивелирования и фото­

грамметрии.

Геометрическое и гидростатическое нивелирование производится по реперам (маркам), заложенным в определенных местах соору­ жения (в фундаменте и др.).

По точности геометрическое нивелирование должно соответ­ ствовать нивелированию III класса. При этом можно применять все типы нивелиров и нивелирных реек, обеспечивающих точность данного класса [11]. Нивелирные хода к сооружению прокладыва­ ются от опорных (неподвижных) реперов.

Гидростатическое нивелирование, как правило, применяется в тех случаях, когда не может быть применено геометрическое ниве­ лирование (например, измерение относительных осадок внутри со­ оружения и др.) При этом применяются шланговые нивелиры сис­ темы К. Терцаги, Г. Мартина, О. Майсера, ЭНИМСа [11, 102] и ВНИМИ [35]. При применении этих приборов превышение меж­ ду двумя смежными реперами может быть измерено с точностью 0,02—0.05 мм.

146

Фотограмметрический метод оп­ ределения осадок и деформации со­

ных знаков на сооружении. При этом методе применяется фототео­ долит Photheo 19/1318 и стерео­ компаратор 1313 Цейса (ГДР). Точность определения смещений и деформаций этим методом ’со­ ставляет порядка 1 мм. С помощью данного метода можно также ус­ танавливать места видимых на­ рушений сооружения и изучать интенсивность раскрытия трещин.

Для определения деформации сжатия и расширения отдельных элементов сооружения применя­ ются стальные рулетки и разные типы деформометров. В случае необходимости производства ди­ станционных измерений деформа­ ций может быть применен струн­

элементов крепи используются про­ волочные тензодатчики, которые наклеиваются на предварительно обработанную поверхность и тща­ тельно изолируются. В качестве отсчетного прибора используется станция СБ8 конструкции ВНИМИ

Рис. 22. Закладной телетензометр для бетона конструкции ВНИИГ:

I — корпус; 2 — струпа; 3 струнодержатель; 4 - настроечный винт; 5 ~ анкер; 6 —ка- тушка.

147

Т а б л и ц а 5

Примерный перечет, отечественной аппаратуры (на базе струнного метода измерений),

применяемой при натурных исследованиях проявлений три ого давлении