CC BY
13
- © Б.Ю. Зуев, 2014
УЛК 622.83.551.252
Б.Ю. Зуев
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ СЛОИСТЫХ И БЛОЧНО-ИЕРАРХИЧЕСКИХ ГОРНЫХ МАССИВОВ
Представлены результаты анализа методов н технических средств, применяющихся для прямого определения напряжений в моделях слоистых и блочно- иерархических массивов из эквивалентных материалов. Установлено, что используемые методы и технические средства имеют принципиальные недостатки, основными из которых являются невозможность определения напряжений в мелких, средне блочных и мелкослоистых структурах моделей массивов вследствие их больших габаритов; влияние на исследуемые геомеханические процессы; несоответствие динамических диапазонов датчика условиям их применения в реальных масштабах моделирования 1:20-1:500. Учитывая крайнюю важность получения информации о распределении напряжений в дискретных структурах моделей из ЭМ, была поставлена задача разработки методики и технических средств их надежного определения. В результате проведенных исследований была разработана конструкция миниатюрного датчика, соответствующая предьявляемым к нему требованиям по геометрическим и жесткостным параметрам и позволяющая использовать его для определения напряжений в структурированных элементах массива в статических и динамических режимах.
Ключевые слова: методы, технические средства, напряжения, датчики, модели из эквивалентных материалов, влияющие факторы, слоистые и блочные массивы, статические и динамические режимы.
При физическом моделировании на эквивалентных материалах (ЭМ) слоистых и блочно-иерар-хических горных массивов наиболее важная информация о протекающих геомеханических процессах может быть получена при использовании прямых методов определения напряжений с помощью деформационного метода, одиночных датчиков, динамометрических слоев датчиков [1]. В отличие от прямых методов определения напряжений в натурных условиях, датчики в моделях могут быть установлены в них в процессе их изготовления, что позволяет потенциально обеспечить качественный контакт поверхности датчика с окружающей его средой и определение не только приращений напряжений, но и их абсолютных значений. Однако существуют принципиальные недостатки используемых
средств определения напряжений в моделях из ЭМ:
• невозможность определения напряжений в в мелких, средне блочных и мелко-слоистых структурах моделей массивов вследствие больших габаритов датчиков (в масштабе 1:100 размеры датчиков, приведенные к условиям натуры составляют от 3 до 20 м;
• влияние средств измерений на моделируемые геомеханические процессы вследствие несоответствия геометрических и деформационных параметров параметрам ЭМ (реальные датчики, внедренные в модель, либо значительно изменяют параметры моделируемых пластов горных пород, либо значительно искажают поля исследуемых напряжений);
• несоответствие динамических диапазонов датчика условиям их применения в реальных масштабах моде-
лирования 1:20 - 1:500 (достоверные результаты исследований могут быть получены только в условиях, когда диапазоны измеряемых давлений, их скоростей, модулей деформаций ЭМ уже полных требуемых диапазонов на 1-2 порядка);
• невозможность применения датчиков при исследовании высокоградиентных и высокочастотных полей напряжений вследствие большой площади измерительных элементов и низкой собственной частоты колебаний;
• отсутствие специальных исследований для оценки надежности определения напряжений с помощью применяемых датчиков при воздействии совокупности факторов, влияющих на точность измерений.
Учитывая крайнюю важность получения информации о распределении напряжений в дискретных структурах моделей из ЭМ, была поставлена задача разработки методики и технических средств их надежного определения. Первоначально был проведен расширенный анализ теоретических и практических аспектов решаемой проблемы не только в горно-технической области, но и в механике грунтов, бетонов, сыпучих средах. Обобщение результатов исследований, полученных Д.С. Барановым, Л.Н. Фомицей, Б.Б. Тимофеевым, Рыковым Г.В. позволили сформировать систему неравенств, обеспечивающих определение напряжений с помощью некоторых универсальных одиночных датчиков в дискретных средах (ЭМ) с переменными деформационными параметрами:
Ед > Еэм ; Ь/д < 0,1-0,15;
ёчэ / д < 0,6-0,7; ёчэ > 10 63 (1)
где Ед и Еэм - модули деформации датчика и среды; Ь/д - отношение толщины датчика к его диаметру; 6чэ -диаметр чувствительного элемента; д - средний размер зерна среды.
Ключевыми факторами, влияющими на надежность измерений является соотношение деформационных параметров датчика и среды Ед / Еэм и основные геометрические параметры датчика. Параметр Ед / Еэм входит практически во все формулы для расчета искажений, вносимых датчиком в поле напряжений в среде: Д.С. Баранова, Л.Н. Фомицы, Б.Б. Тимофеева, J.C. Loh и др. Для определения этого параметра необходимо определить приведенный модуль упругости Ед. Однако авторы предлагали различные способы его определения, что частично связано с реальными физическими прототипами расчетных схем, например, мессдоз в формулах Д.С. Баранова [2] или магнитоупругих преобразователей в формулах Л.Н. Фомицы [3] или О.Ю. Саммала [4].
В приближенном теоретическом решении Д.С. Баранова мембрана, расположенная в центре торцевой поверхности датчика, рассматривается как некоторое однородное включение с приведенным модулем упругости, определяемым теоретически или экспериментально по формуле [2]:
Еп = а /б = а • H /Ah
(2)
где а - напряжение, нормальное к поверхности мембраны, АЬ - прогиб в центре мембраны, Н - толщина мес-сдозы.
Очевидно, что в этой формуле не учитываются другие конструктивные элементы мессдозы и их деформационные характеристики.
В работах [3] предлагается при расчете Ед учитывать различие упругих характеристик датчика по всему объему путем выделения в объеме отдельных слоев и «столбиков», расчета модулей упругости составных элементов и последующего определения Ед по формуле:
Ед = (h /F)-Z [ Fn / Z ( h /E )]
(3)
где Рп - площадь сечения каждого столбца, Р - общая площадь сечения датчика, И - общая высота датчика,
И. - высота отдельных слоев в каждом
!
столбце, Е . - модуль упругости материала слоев в каждом столбце.
Данная формула позволяет учитывать любые элементы датчика, однако при этом не дифференцируется жесткость измерительных и вспомогательных элементов из-за независимого суммирования отдельных составляющих.
В данной работе автором предлагается новая расчетная методика на основе определения Ед по усредненным по рабочим поверхностям датчика их относительным деформациям при воздействии на нее конечного распределенного давления р:
Ед = р / [ 2 е, • 1 • ^ / (вл • И )] (4)
где е. , 1. , в. - соответственно, относи-
1 1 г 1 г 1
тельная деформация, высота и сечение -ого составного элемента датчика; 5д - площадь рабочей поверхности датчика, И - высота датчика.
В отличие от рассмотренных ранее формул здесь влияние измерительных - суть самых низкомодульных элементов на величину Ед является определяющим. Например, при воздействии на них некоторого распределенного давления р могут возникать существенные деформации е1, что приводит к резкому снижению расчетной величины Ед. Таким образом предлагаемая формула для оценки Ед имеет реальное физическое наполнение. В целом методика включает в себя: принятие расчетной схемы, выбор реальной физической конструкции, анализ взаимодействия ее отдельных элементов, установление зависимости Е
от их основных геометрических и деформационных характеристик, определение их оптимальных значений.
При определении оптимальных значений Ед следует учитывать, что диапазон деформационных параметров используемых типов ЭМ изменяются на 3 порядка (Еэм = 2-1400 МПа). Кроме при широком диапазоне изменения Ед /Еэм погрешности резко возрастают если Ед меньше Еэм, а при Ед << Еэм могут достигать сотен и более процентов. В то же время при Ед > Еэм и даже при теоретически абсолютно жестком датчике расчетные величины погрешностей не увеличиваются более чем на 20-30%. Таким образом при выборе реальной физической конструкции следует стремиться к достижению максимального значения Ед.
С учетом проведенного анализа был разработан миниатюрный датчик типа МДГ-3, представленный на рис. 1. Расчетная схема датчика приведена на рис. 2.
Для определения оптимальных параметров датчика, удовлетворяющих системе неравенств (1) с учетом
Рис. 1. Конструкция датчика МДГ-3:
1 -корпус, 2 - внешняя мембрана, 3 - силопередающий слой, 4 - интегральный тензомодуль, 5 - отверстие для вывода, 6 - вывод датчика
д
Рис. 2. Расчетная схема датчика МДГ-3:
V, - объемы элементов датчика, Н - толщина датчика, К -толщина элемента, Я, - радиус элемента
формулы (4) и обеспечивающих максимальное значение Ед была разработана программа на ФОРТРАНЕ. В результате численного счета было определено значение Едтах =13 555 МПа при максимальном размере датчика 15 мм и минимальным - 1,5 мм, что позволяет его использовать для определения напряжений в слоистых и блочных структурах горных массивах в масштабе 1:50 - 1:100 с размерами, составляющими 25-50% от минимальных размеров горных выработок.
После изготовления датчиков типа МДГ-3 были проведены экспериментальные исследования для выявления всех факторов, влияющих на точность
1. Глушихин Ф.П., Кузнецов Г.Н., Шклярский М.Ф. и др. Моделирование в геомеханике. - М.: Недра, 1991. - 240 с.
2. Руководство по применению прямого метода измерения давления в сыпучих средах и грунтах. -М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1965. - 93 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
измерений: абсолютные размеры модели, селективность, температура среды, контактные условия, неоднородность ЭМ, ориентация датчика, отношение Ед /Еэм, деформации ползучести и пластичности, часотные характеристики измеряемых напряжений.
В результате проведенных исследования было установлено, что при измерении напряжений в диапазоне частот от 0 до 500 Гц суммарная относительная погрешность измерений уменьшается с 5-15% при напряжениях от 0,0038 до 0,012 МПа - до 2,5% (при напряжениях превышающих 0,03 МПа). Суммарная абсолютная погрешность не превышает 0,0006 МПа.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Разработка малогабаритных датчиков давления и методы их применения для анализа напряжение: Отчет о НИР/ НИИ: рук. Фомица Л.Н. Новополоцк, 1976. 168 с.
4. Саммал О.Ю. Напряжения в бетоне и прогнозирование технических ресурсов в бетонных и железобетонных конструкциях и сооружениях. - Таллин: Залгус, 1980. -204 с. ЕШ
Зуев Борис Юрьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, зав. лабораторией, e-mail: b.zuev2010@yandex.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
UDC 622.83.551.252
DESIGN OF METHODS AND DEVICES FOR FINDING STATIC AND DYNAMIC STRESSES IN THE PHYSICAL MODELS OF LAMINATED AND HIERARCHICAL BLOCKS OF ROCKS
Zuev B.Yu., Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher, Head of Laboratory, e-mail: b.zuev2010@yandex.ru, National Mineral Resource University «University of Mines».
The article presents the results of methods and devices used for direct determination of stresses in the models of the flaky and hierarchical blocks of rocks on equivalent materials. It is proved that these methods and devices have principle faults, major of which are unable to determine stresses in small- and medium-block structures and small-layered structures of models due to large dimensions; influence on geomechanical processes under study; incompatibility of dynamic ranges of sensors to conditions of use in real scales of modeling 1:20- 1:500. Considering the high importance of obtaining information on the distribution of stresses in discrete structures of models on equivalent materials, the task was to develop methods and devices for their reliable determination. As the result of conducted researches a miniature sensor was designed in accordance with requirements for parameters of geometry and hardness to used for determination of stresses in structured elements of rock massifs in static and dynamic modes.
Key words: methods, devices, stresses, sensors, models on equivalent materials, influence factors, layer and block massif of rocks, static and dynamic modes.
REFERENCES
1. Glushihin F.P., Kuznecov G.N., Shkljarskij M.F. Modelirovanie vgeomehanike (Modelling in Geomechan-ics), Moscow, Nedra, 1991, 240 p.
2. Rukovodstvo po primeneniju prjamogo metoda izmerenija davlenija v sypuchih sredah i gruntah (Guidance on the application of direct method of measuring the pressure in granular media and soils), Moscow, CNIISK by Kucherenko, 1965, 93 p.
3. Razzrabotka malogabaritnyh datchikov davlenija i metody ih primenenija dlja analiza naprjazhenie: Otchet o NIR/NH: ruk. Fomica L.N. (Development of compact pressure sensors and methods of their application to the analysis voltage: Research report / SRI: head Fomitsa L.N.), Novopolotsk, 1976, 168 p.
4. Sammal O.Ju. Naprjazzhenija v betone i prognozirovanie tehnicheskih resursov v betonnyh i zhelezobeton-nyh konstrukcijah i sooruzhenijah (Stresses in the concrete and forecasting of technical resources in concrete and reinforced concrete structures and buildings), Tallinn, Zalgus, 1980, 204 p.
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОЛУЧАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ
Чижевский Владимир Брониславович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Гришин Игорь Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: igorgri@mail.ru, Галямов Виктор Шамилевич - аспирант, е-mail: vcitorgalyamov@mail.ru, Колесатова Оксана Сергеевна - доцент, е-mail: okolesatova@mail.ru,
Орехова Наталья Николаевна - доцент, кандидат технических наук, e-mail: nn_orehova@mail.ru, Горбатова Елена Александровна - кандидат технических наук, доцент, е-mail: lena_gorbatova@mail.ru, Шавакулева Ольга Петровна - кандидат технических наук, доцент, е-mail: magtu_opi@mail.ru, Колкова Мария Сергеевна - аспирант, Чернов Данил Валентинович, аспирант, Романько Елена Александровна - кандидат технических наук, доцент, e-mail: Romanko_H@mail.ru, e-mail: mdig@magtu.ru; Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Проведено экспериментальное сравнение технологий извлечения меди и цинка из сезонно-об-разуюшихся жестких, сульфатных подотвальных вод медно-колчеданных месторождений Урала., приведены критерии оценки, которые позволяют установить на какой стадии развития деформации борта достаточно визуального контроля его состояния и когда обязательна постановка инструментальных наблюдений, предложен новый подход к построению схем переработки глинистых материалов на основе использования операции предконцентрации, рассмотрено текушее состояние каолиновой и цеолитовой промышленности Южного Урала и перспективы развития отрасли с учетом современным тенденций.
Ключевые слова: каолин, цеолиты, магнитная сепарация, содержание железа, классификация, предконцентрация, отбеливание, обогашение полезных ископаемых, извлечение, медь, цинк, техногенные воды, ресурсосберегаюшая переработка, мокрое обогашение.
SECURITY MINING AND QUALITY PRODUCT RECEIVED
Tchizevskiy V.B., Doctor of Technical Science, Professor,
Grishin I.A. Candidate of Technical Science, Assistant Professor, е-mail: igorgri@mail.ru, Galyamov US., PostGraduate Student, е-mail: vcitorgalyamov@mail.ru, Kolesatova O.S., Assistant Professor, е-mail: okolesatova@mail.ru,
Orekhova N.N., Candidate of Technical Science, Assistant Professor, e-mail: nn_orehova@mail.ru, Gorbatova E.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, е-mail: lena_gorbatova@mail.ru, Shavakuleva O.P., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, е-mail: magtu_opi@mail.ru, Kolkova M.S., Graduate Student, Chernov D.V., Graduate Student,
Romanko H.A., Candidate of Technical Science, Assistant Professor, e-mail: Romanko_H@mail.ru, e-mail: mdig@magtu.ru; Nosov Magnitogorsk State Technical University.
We have made an experimental comparison of processes of recovery of copper and zinc from hard sulfate waters of some copper mines located in the Urals, the methods of definitions and optimizing the level of losses and dilution of ore mining in the application of technology carving ore, the paper suggests the new approach for clay materials treatment, including appliance of pre-concentration, the criteria of evaluation, which allow us to establish at what stage of development of deformation bead enough visual inspection of its condition and when required statement of instrumental observations.
Key words: caolin, zeolites, magnetic separation, ferric iron content, classification, pre-treatment, bleaching, клolin, Yeleninskoe site, wet concentration, magnetic separation, pre-concentration, HGMS, classification in hydrocyclones.
