CC BY
35
© В.Н Попов, Б. В. Несмеянов, 2004
УДК 62-75
В.Н. Попов, Б.В. Несмеянов
НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ПОРОДНЫХ МАССИВОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВЗРЫВОВ С ПОМОЩЬЮ МАКСИМАЛЬНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ АМ—100 и АМ-2У
Семинар № 1
~П оздействие взрывов на породные мас-
-О сивы обычно определяется по результатам маркшейдерских или сейсмометрических измерений на наблюдательных станциях, закладываемых в виде профильных линий на площадках рабочих и нерабочих уступов.
Сейсмометрические наблюдения являются наиболее универсальным методом наблюдений и позволяют изучать сейсмическое действие взрывов на породные массивы одинаково успешно, как в ближней от взрывов зоне, так и на значительном удалении от него. Однако, здесь же, следует отметить определенные сложности и большую трудоемкость проведения таких наблюдений. Это относится, как, к работам по подготовке и настройке довольно сложной и дорогостоящей измерительной аппаратуры, так и к работам, связанным с непосредственными наблюдениями и обработкой данных полевых замеров.
Для снижения трудозатрат при производстве сейсмометрических наблюдений в ближайшей от взрывов зоне (60-70 м последнего ряда взрываемых скважин - диапазон зон дробления и остаточных деформаций), повышения оперативности получения результатов наблюдений и обеспечения автономно-
Рис. 1. Принципиальная схема максимального акселерометра АМ-100: 1 -
корпус устройства; 2 - инерциальная масса; 3 - упругий элемент (пружина); 4 - регулятор предварительного нагружения; 5 - измерительный шток; 6 - однонаправленный фиксатор; 7 - крышка корпуса
сти измерения параметров (скорость, ускорение) сейсмоколебаний породных массивов и контроля деформаций откосов под воздействием массовых взрывов нами были разработаны два типа плана автономных датчиков - максимальные акселерометры АМ-100 и АМ-2У.
Максимальный акселерометр АМ- 100
представляет собой механическое устройство инерциального типа и предназначен для измерения максимальных значений ускорений сейсмических колебаний породных массивов в ближней от взрывов зоне. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1.
Устройство работает следующим образом. Вращением регулятора предварительного нагружения упругого элемента 4 устанавливается в исходное положение (до упора в инерциальную массу 2), после чего устройство размещается на контролируемом объекте. Ускорения, передающиеся от объекта через корпус 1 на инерциальную массу 2, приводят к сжатию упругого элемента 3 и соответствующему смещению измерительного тока 5, при этом однонаправленный фиксатор 6 позволит «запомнить» положение штока при максимальных значениях ускорения. По смещению измерительного штока 5 и имеющимся тарировочным зависимостям определяют величину максимального ускорения колебаний контролируемого объекта.
При работе в условиях бы-строменяющихся знакопере-
менных ускорений (колебательных движениях) регулятор
№ Масса груза, г Мгр Масса штока, г Мшт Масса пружины, г Мпр Жесткость пружины, кН/м, К Сила тре-ния штока, Н, тр Рекомендуемые расстояния установки от последнего ряда скважин, м
1 57,00 2,03 6,00 20 2,00 20
2 51,90 2,05 6,50 20 2,00 30
3 107,00 2,08 6,22 20 1,15 40
4 202,35 2,52 6,15 20 1,00 50
5 204,50 2,17 2,65 5 1,00 60
6* 150,00 2,14 5,85 20 2,00 20-40
Примечание: * контрольный акселерометр. В процессе наблюдений устанавливается параллельно с максимальными акселерометрами 1,2,3 для оценки величины аппаратурной погрешности измерений
предварительного нагружения упругого элемента 4 следует устанавливать в положении обеспечивающее смещение упругого элемента 3, под действием заданного ускорения, на величину заведомо меньшую амплитудного значения колебаний контролируемого объекта.
Учитывая специфику проводимых исследований, а именно, необходимость установки максимальных акселерометров на различных расстояниях от места взрыва, для обеспечения их эффективного функционирования нами было создано несколько модификаций устройств, отличающихся параметрами их конструктивных элементов. Характеристики разработанных и использованных в исследованиях устройств приведены в таблице.
Вычисление значений максимальных ускорений по данным полевых замеров, выполненных с использованием максимальных акселерометров АМ-100, легко осуществить по формуле:
а = 9,8і(мгр + Мпр /2 + Мшт) + КАХ + ¥тр (1)
Я Мр + М„р/2 + Мшт
где а - максимальное ускорение в точке замера, м/с2; К- жесткость пружины (принимается по таблице), кН/м; Етр - сила трения штока (принимается по таблице), Н; АХ - величина смещения штока акселерометра под действием взрыва; м; Мгр,Мпр,МШТ - масса, соответственно, груза, пружины и штока акселерометра (принимается по таблице 1), кг.
Скорость колебаний пород в точках замера вычисляется из выражения:
V = ■
2П
(2)
где V - максимальная скорость колебаний пород в точках замера, м/с; п - 3,14; 1- частота сейсмоколебаний пород в точке замера, Гц.
Испытания максимальных акселерометров АМ-100, проведенные на карьере Жирекенско-го ГОКа показали, что разработанные устройства работоспособны в широком диапазоне бы-строменяющихся знакопеременных ускорений, просты и технологичны в изготовлении и работе, обладают достоточной точностью измерений (расхождение результатов маркшейдерских и сейсмометрических, с использованием максимальных акселерометров АМ-100, наблюдений по отдельным замерам не превышало 6-7 %), надежны в эксплуатации и могут использоваться в качестве автоматических сейсмодатчиков при производстве сейсмометрических наблюдений в диапазоне зон дробления и остаточных деформаций (до 60-70 м от последнего ряда взрываемых скважин).
Максимальный акселерометр АМ-2У представляет собой механическое устройство инер-циального типа и предназначено для стационарного контроля деформаций породных массивов под воздействие массовых взрывов. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 2.
Устройство работает следующим образом. Вращением гильзы регулировочного винта 7 устанавливается соответственно 1-й и 11-й уровни срабатывания, после чего устройство размещается на контролируемом объекте. При превышении 1-го критического значения ускорения инерциальная масса 8, преодолев усилие прижима отделится от основания корпуса I о чем просигнализирует микровыключатель 1-го уровня срабатывания 2. При превышении 11-го критического значения ускорения инерциаль-ная масса 8, преодолевая силу отталкивания от
а
Рис. 2. Принципиальная схема максимального акселерометра АМ-2У: 1 -
корпус устройства; 2 - микровыключатель 1 -го уровня срабатывания; 3 - регулировочная гильза; 4 - постоянный магнит; 5 - микровыключатель П- го уровня срабатывания; 6 - удлинительный шток; 7 -регулировочный винт; 8 - инерциальная масса
постоянного магнита, достигнет удлинительного штока 6, о чем просигнализирует микровыключатель 11-го уровня срабатывания 5.
При работе в условиях бы-строменяющихся знакопеременных ускорений (колебательных движениях) снижается достоверность срабатывания микровыключателя 11-го уровня 5, вследствие того, что инерциальная масса 8 в этих условиях может не достигнуть удлинительного штока 6 даже при ускорениях, превышающих 11-й уровень срабатывания, из-за малых амплитуд контролируемых колебаний. Для повышения достоверности срабатывания в этом случае необходимо вращением регулировочной гильзы 3 уменьшить расстояние между магнитами 4 инерциальной массой 8 увеличивая при этом напряженность магнитного поля настолько, чтобы регистрировать штоком 6 величину критического ускорения 11-го уровня даже при небольших амплитудах смещения инерциальной массы 8.
Введение II - уровня срабатывания позволяет, в отличие от известных устройств, существенно расширить функциональные возмож-
ности максимального акселерометра, а именно вести контроль измерения величины ускорения в заданном интервале значений (от 1-го и 11-го уровня срабатывания), а также сигнализировать о приближении величины регистрируемого ускорения (1-й уровень срабатывания) к критическому значению (11-й уровень срабатывания).
Возможность регулировки уровней срабатывания позволяет вести контроль в заданном диапазоне ускорений, а также обеспечивает возможность ведения достоверного контроля в условиях быстроменяющихся знакопеременных ускорений.
Использование в качестве инерциальной массы постоянного магнита и ориентировка магнитов между собой одноименными полюсами обеспечивает возврат устройства в исходное положение без применения дополнительных внешних приспособлений, а использование в качестве сигнальных элементов микровыключателей позволяет обеспечивать работу устройства в автоматическом режиме.
Оба устройства отличаются простотой конструкции и удобством их применения в производственных условиях. Их использование позволяет повысить оперативность контроля и значительно снизить трудоемкость производства сейсмометрических наблюдений за деформациями породных массивов под воздействием взрывов.
Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Попов Владислав Николаевич - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой,
Несмеянов Б. В. - профессор, доктор технических наук,
кафедра «Маркшейдерское дело и геодезия», Московский государственный горный университет.
