Горные машины и оборудование

Содержание

Введение 3
1 Методы измерений деформаций и механических напряжений 4
2 Применение при исследованиях 10
Заключение 12
Список использованной литературы 14

Введение
Применяемые в настоящее время технологии и технические средства в большинстве своем не соответствуют комплексу современных требований экономики, экологической и социальной безопасности. На россыпных месторождениях природного, природно-техногенного и техногенного типов применяется чаще всего бульдозерный способ выполнения вскрышных и добычных работ. Известно, что бульдозеры являются неэффективными с точки зрения энергозатрат машинами, поскольку перемещают горную массу волоком.
Кроме того, эффективная дальность перемещения горной массы бульдозерами мала, что требует частой перестановки промывочного оборудования. Применение более мощных бульдозеров с целью повышения эффективности добычных работ даже на техногенных россыпях, где требуется валовое перемещение породы, не приносит существенной экономии, поскольку более мощная техника не комплектуется по производительности с существующим промывочным оборудованием.
Практика вскрышных и добычных работ на россыпных месторождениях настоятельно требует снижения затрат на эти виды работ путем применения новой менее энергоемкой техники, модернизации промывочного оборудования первичного обогащения и совершенствования технологий добычи.

1 Методы измерений деформаций и механических напряжений
Измерение деформаций и механических напряжений широко применяется при исследовании физических свойств материалов и прочностью испытаниях различных деталей, машин, строительных конструкций и сооружений, а также земной коры и горных пород. Измерение деформаций используют при технической диагностике, а также при измерении физических величин (силы, моментов, давления), которые преобразуются в деформацию упругого элемента. В большинстве методов измерений механических напряжений датчиком воспринимается абсолютное или относительное значение деформации, поскольку естественной входной величиной применяемых при этом преобразователей является перемещение. Непосредственно измерять механические напряжения можно термоупругим, магнитоупругим, ультразвуковым и фотоупругим методами.
Переход от измеренных деформаций к механическим напряжениям можно осуществить при известных функциональных зависимостях
между деформацией и напряжением. При однородном объемном напряженном состоянии изотропного материала в пределах упругих деформаций можно по измеренным значениям главных деформаций ε1, ε2, ε3, σ1, σ2, σ3, пользуясь уравнениями связи (3), (4) и (5):
ε1=[σ1-μ(σ2 + σ3)] / Е; (3)
ε2=[σ2-μ(σ3 + σ1)] / Е; (4)
ε3=[σ3-μ(σ1 + σ2)] / Е; (5)
Здесь μ – коэффициент Пуассона;
Е – модуль Юнга.
В случае плосконапряженного состояния (σ3=0) уравнения связи имеют вид:
σ1=Е(ε1+με2)/(1-μ2); (6)
σ2=Е(ε1+με1)/(1-μ2); (7)
При исследовании линейно напряженного состояния связь между напряжением σ и относительной деформацией εl в пределах упругости определяется зависимостью (8):
σ = Eεl. (8)
За пределом упругости переход от деформаций к напряжениям вызывает трудности, если заранее не известна функциональная зависимость между напряжениями и деформациями. Напряжения во внутренних слоях исследуемого объекта можно определить по измеренным деформациям на его наружной поверхности, если известен закон распределения деформаций по толщине объекта. В прозрачных образцах или в моделях из прозрачных диэлектриков внутреннее напряжение можно определить поляризационно-оптическим методом, основанным на фотоупругом эффекте [2].
Деформации необходимо измерять в весьма широких пределах – от сотых долей микрометра до метров, относительные деформации – в диапазоне 0 – 100 % и более. Малые деформации имеют место в металлах и твердых пластмассах, большие деформации необходимо измерять при испытании образцов с большим удлинением (эластичные пластмассы, резина …).
При определении прочностных характеристик материалов напряжение меньше 5 – 10 М Па обычно не измеряется. Измерения при очень малых механических напряжениях и деформаций требуется производить при различных физических и биологических исследованиях, в частности при исследовании структуры кристаллов, биологических мембран и других микрообъектов.
Обычно при измерении деформации ее сначала преобразуют в перемещение концов чувствительного элемента тензометра, расстояние между которыми называется базой. При этом используются два способа крепления первичного преобразователя к объекту испытания.
В первом случае первичный преобразователь непосредственно укрепляется на испытуемом объекте. Такой способ измерения, широко применяемый при комплексных испытаниях сложных объектов с использованием тензорезисторов, отличается невысокой точностью (погрешность 2-10 %) вследствие большого разброса параметров тензорезисторов и невозможности градуировать прибор (канал) с данным тензорезистором, который при таких измерениях является элементом разового использования.
Во втором случае датчик тензометра, включающий в себя первичный преобразователь (тензорезистивный, индуктивный, электрооптический), прикрепляется к исследуемому объекту при помощи специальных устройств, выполняемых в виде опорных призм, ножевых щуповых, пружинных, магнитных и других типов захватов. Для измерений при высоких температурах (до 1100˚ С) применяются захваты с кварцевыми наконечниками. Такие тензометры обычно используют совместно с испытательными машинами для прочностных испытаний деталей, образцов материалов и отдельных элементов сложных конструкций. Перемещение захватов, вызванное деформацией испытуемого образца, измеряется при помощи различных методов и средств измерений, но наиболее широко применяются тензорезистивные, индуктивные и электрооптические тензометры. Тензометры, используемые совместно с испытательными машинами, обеспечивают измерения с относительно малыми погрешностями (0,2 – 1,5 %), поскольку их можно градуировать совместно с датчиком при помощи образцовых средств измерений длины.
Рисунок 1 – Тензорезистивный датчик
Рисунок 2 – Индуктивный тензометр
На рисунке 1 показано устройство тензорезистивного датчика тензометра, у которого упругий элемент 2 в форме скобы крепится к испытуемому образцу 1 при помощи ножевых зажимов 4. Тензорезисторы 3 наклеены на среднюю часть скобы, которая изгибается при деформации (удлинении) испытуемого образца. Путем изменения формы упругого элемента и типа захватов создаются тензометры различных назначений, например для измерений угла закручивания образца или размеров трещин. Достоинствами таких тензометров являются относительно малая основная погрешность (0,2—0,5 %) при погрешности линейности и гистерезиса 0,05 – 0,2 % и высокая собственная частота датчика (10 к Гц).
В индуктивных тензометрах (рисунок 2) перемещение ножевой опоры 2 при деформации испытуемого образца 1 передается сердечнику 3 индуктивного датчика 4, который при помощи струбцины 5 укрепляется на образце. Погрешности индуктивных тензометров лежат в пределах 0,5 – 1,5 %. Отсутствие упругого элемента позволяет создавать индуктивные тензометры для работы в широком диапазоне температур.
При испытании образцов материалов тензометры с тензорезисторами применяются в основном для измерения деформации до 50 % от базы при значениях базы 2.5 – 100 мм. Индуктивные тензометры выпускаются с базами 1—200 мм и используются для измерения как малых, так и больших деформаций – до 30 % и более от базы.
Электрооптические тензометры обычно применяются для измерения больших деформаций – до 100 % . Преимуществом таких тензометров является отсутствие механического контакта между испытуемым образцом и датчиком перемещений, что позволяет проводить испытания образцов в закрытых камерах, при различных температурах и разных средах. Использование лазерных интерферометров для измерения деформаций дает возможность существенно повысить точность результатов измерений при прочностных испытаниях.
Для измерения деформаций и механических напряжений при натурных испытаниях различных машин, конструкций транспортных средств и других изделий наиболее широко используется метод, основанный на применении дискретных металлических и полупроводниковых тензорезисторов. Особенностью испытаний сложных изделий является наличие большого числа точек тензометрирования, поэтому для этих целей используются многоканальные тензостанции и ИИС для прочностных испытаний.
Проволочные, фольговые, пленочные и металлические тензорезисторы применяются для измерений статических деформаций 0.005 – 1.5 – 2 %, полупроводниковые – до 0.1 – 0.2 %, свободные проволочные тензорезисторы, которые закреплены только по концам базы, а также эластичные электрохимические тензорезисторы могут использоваться для измерения деформаций соответственно до 5 – 10 % и 30 – 50 % .В динамическом режиме максимально допустимые значения деформаций для проволочных и полупроводниковых тензорезисторов должны быть на порядок меньше, так как при таком режиме уменьшается надежность тензорезисторов.
Основные технические характеристики металлических, полупроводниковых и интегральных тензорезисторов, а также основные измерительные цепи для тензорезисторов рассмотрены в работе [2].

2 Применение при исследованиях
Широкое применение в практике геомеханических исследований в ИГД УрО РАН получил метод фотоупругих включений в виде фотоупругих стеклянных датчиков, которые применяются и поныне 7.
Незаменимыми эти датчики оказались, например, при изучении концентрации напряжений в зоне ведения очистных работ в условиях обводненности и взрывов. Уникальными явились и результаты, полученные с их применением при определении нагрузок в скальном основании плотины Ингури ГЭС (Грузия) при ее строительстве и заполнении водохранилища , а также при ведении геодеформационного мониторинга вне зоны ведения очистных работ в течение 1990 – 1996 гг. Последнее обстоятельство явилось толчком к изучению циклически изменяющихся нагрузок в земной коре и новому этапу геомеханических исследований 8.
Дальнейший шаг в измерении напряжений в массиве пород месторождений сделан при совершенствовании и применении метода щелевой разгрузки 9. При этом значительно снижена трудоемкость работ, уменьшен разброс результатов измерений, повышена точность и надежность. В настоящее время при использовании для образования щели современных бензорезов с алмазными дисками производство измерений стало независимым от шахтных коммуникаций, что позволило резко повысить число точек измерений и оперативность исследований.
Сущность метода щелевой разгрузки состоит в образовании щели радиусом 0,3 м на контуре выработки и измерении деформаций стенок щели. При этом база разгрузки достигает размеров около 1 м.
Для метода щелевой разгрузки разработаны шаблоны для формирования щели и съемные цанговые реперы, которые распираются в шпурах. Деформации измеряются индикатором часового типа с точностью 0,002 мм. Метод щелевой разгрузки получил довольно широкое применение. Эксперименты выполнены на следующих шахтах: Северо-Песчанская, Северная, Валуевская, Южная, Естюнинская, Магнетитовая, Эксплуатационная, Сидеритовая, Западный Каражал, Таштагольская, а также на рудниках в районе городов Березовский, Вишневогорск, Карабаш, Североуральск, Учалы, Северо-Енисейск, Дарасун, Ангрен. Определены напряжения в бетонной крепи стволов шахт Молодежная и Центральная в г. Хром-Тау.
Метод принят на вооружение следующими институтами: УГГУ, Унипромедь, Магнитогорским горно-металлургическим (МГМИ), Иркутским (ИрГИРедмет), Пермским политехническим (ППИ), Новокузнецким (ВостНИГРИ), а также службой горных ударов на шахте Естюнинская. За последнее время метод щелевой разгрузки получил дальнейшее развитие, и получено положительное решение о выдаче патента на комплексный способ определения НДС 11.
Он предусматривает измерение деформаций массива пород на стенке, кровле и забое горной выработки при создании кольцевой щели определенной глубины с помощью парных реперов, устанавливаемых на массиве и на керне.
Задание пошаговой нагрузки прессиометром, устанавливаемым в центральном шпуре выбуренного керна, позволит определять упругие характеристики конкретного участка массива и в итоге определить уровень и направление напряжения. Измерение деформаций частичной и полной разгрузкой и определение напряжений сразу в трех ортогональных плоскостях еще на шаг приближает нас к одновременной оценке полного тензора напряжений массива пород.

Заключение
Совершенствование методов измерения напряжений проводилось в направлении снижения трудоемкости, повышения надежности, оперативности и адаптации к блочно-иерархическому строению массива. На обводненных участках при частичной разгрузке на обнажениях использованы съемные тензометры, а для полной разгрузки в скважине применены фотоупругие тензометры, не требующие электрокоммуникаций. Для снижения влияния остаточных напряжений сделан переход на увеличенные базы измерения.
Положительный эффект получен нами при широком использовании фотоупругих стеклянных датчиков, позволяющих во влажных условиях шахт определить изменение напряженного состояния массива в зоне очистных работ по мере их развития. Применение напрягающегося цемента при установке датчиков дало возможность определять растягивающие напряжения. Сконструированы и изготовлены серийно три модификации шахтных полярископов. На последнюю модель полярископа получен патент на изобретение № 2587101.
Переход при измерениях напряжений на щелевую разгрузку значительно повысил оперативность исследований при снижении трудоемкости. Созданный в ИГД УрО РАН вариант щелевой разгрузки широко использован в различных научных организациях горного профиля.
Регулярные измерения напряжений в подземных рудниках на различных глубинах дали возможность установить закономерности изменения напряжений с глубиной и особенности в различных сегментах Уральского региона.
Установленные закономерности позволили разработать методику прогноза и предупреждения динамических явлений на рудниках, которая стала составной частью нормативных документов по предупреждению горных ударов на многих шахтах Урала и Казахстана, и на стадии проектирования определять критические глубины по горным ударам.

Список использованной литературы
1. Влох Н.П. Измерение напряжений в массиве крепких горных пород / Н.П. Влох, А.Д. Сашурин. - М.: Недра, 1970. - 124 с.
2. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках / Н.П. Влох. - М.: Недра, 1994. - 208 с.
3. Хаст Н. Измерение напряжений в скальных породах и их значение для строительства плотин / Н. Хаст, Г. Нильсон // Проблемы инженерной геологии. - Вып. 4. - М.: Мир, 1967. - С. 94 - 105.
4. Влох Н.П. Метод частичной разгрузки на большой базе / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов // Диагностика напряженного состояния породных массивов: сб. научн. тр. / ИГД СО РАН СССР. - Новосибирск, 1983. - С. 37 - 42.
5. Зубков А.В. Модуль деформации массива горных пород – функция рангов слагающих его блоков / А.В. Зубков, Ю.М. Зубков // Геодинамика и напряженное состояние земных недр: материалы междунар. конф. 4 - 7 окт. 1999 г. - Новосибирск: Изд-во СО РАН СССР, 1999. - С. 65 - 70.
6. Пат. 2587101 Российская Федерация, GO1L1/24. Полярископ шахтный компактный / А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов. - № 2014120840/28, заявл. 22.05.2014; опубл. 23.05.2016.
7. А.с. 464778 Способ контроля напряженного состояния строительных объектов и горных пород / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Я.И. Липин и др. - № 1966469/29-33; заявл. 16.10.73; опубл. 25.03.75, Бюл. № 11. – С. 105 -106.
8. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния земной коры Урала во времени / А.В. Зубков, О.В. Зотеев, О.Ю. Смирнов, Я.И. Липин и др. // Литосфера. - 2010. - № 1. - С. 84 - 93.
9. Влох Н.П. Совершенствование метода щелевой разгрузки / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов // Диагностика напряженного состояния породных массивов: сб. научн. тр. / ИГД СО РАН СССР. - Новосибирск, 1983. - С. 30 - 35.
10. Влох Н.П. Применение пенополистерола ПС-1 для решения упругих задач в горном деле методом моделирования / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Ю.Ф. Пятков // ФТПРПИ. - 1980. - № 1. - С. 94 - 97.
11. Пат. 2597660 Российская Федерация, МПК GО1В1 1/16. Комплексный метод определения напряженно-деформированного состояния объектов геотехнологии / Ю.Г. Феклистов, А.В. Зубков и др. - № 2014129352/28, заявл. 16.07.2014; опубл. 24.08.2016, Бюл. № 26
12. А.с. 979840 СССР, МКЛ3 С 01В 3/10. Способ измерения приведенного к горизонту расстояния между опорными точками / А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов (СССР). - №2856127/25-28; заявл. 14.12.79; опубл. 07.12.82. Бюл. № 45.
13. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. - 335 с.
14. Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния земной коры Урала во времени / А.В. Зубков, О.В. Зотеев, О.Ю. Смирнов, Я.И. Липин, С.В. Худяков, Р.В. Криницын, К.В. Селин, А.А. Ершов, Л.Р. Валиулов // Литосфера. - 2010. - № 1. - С. 84 - 93.
15. Зубков А.В. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород / А.В. Зубков, И.В. Бирючев, Р.В. Криницын // Горный журнал. – 2012. - № 1. - С. 44 - 47.
16. Русинов Ю.И. Ионосфера в едином поле волн / Ю.И. Русинов [Электронный ресурс] - Режим доступа: (http//comm..roscosmos.ru/Docs/RusF2.dos) или (www.ntpo.com) в разделе «Тайны космоса», 2008.
17. Тарасов Б.Г. Пульсация земли и цикла геодинамической активности в потоках космической плазмы / Б.Г. Тарасов. - СПб.: МАНЭБ, 2009.
18. Распопов О.М. Долговременные тренды и модуляции космических лучей солнечным ветром за последние 150 лет / О.М. Распопов, В.А. Дергачев // Эффекты модуляции космических лучей солнечным ветром. - СПб.: ИЗМИРАН, 2003.