Статья
| Наименование | Разработка конструкции портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Недропользование | ||||
| Год | 2025 | Выпуск | 83 | Страницы | 5 - 23 |
| УДК | 553.5:620.113:006.354 | EDN | BFOWKW | ||
| Аннотация | Оперативное и достоверное определение физико-механических свойств грунтов и горных пород в полевых условиях достигается с помощью различных портативных приборов. В статье дан анализ конструкций портативных приборов, показаны их достоинства и недостатки, сформулированы основные требования к ним. Проведены обоснование и расчет конструктивных и технических параметров нового портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород ППЭИ, где впервые образцы нагружаются с помощью сжатого воздуха под давлением 30 МПа из мини-баллона емкостью 0,5 л. Затем с помощью пневмомультипликатора давление повышается в 2-10 раз, что позволяет производить испытания скальных пород не только на раскол, но и на сжатие. Прибор ППЭИ превосходит по своим показателям существующие отечественные и зарубежные аналоги, его массово-габаритные параметры минимальны (размеры 110×110×200 мм, масса 3,5 кг), он прост в изготовлении и не требует затрат физических усилий оператора. В нем нуждаются геологи, горняки, бурильщики, строители дорог, гражданских и промышленных зданий и сооружений. | ||||
| Реферат | Цель исследования — обоснование требований, разработка и определение параметров портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород в лабораторных и полевых условиях на основе использования в качестве источника энергии сжатого под большим давлением газа из мини-баллона.
Объект — варианты конфигураций новой конструкции портативного прибора для определения физико-механических свойств горных пород и каменных материалов.
Предмет исследований — обоснование конструктивных параметров элементов прибора с учетом их взаимодействия, их оптимизация для достижения минимальных массово-габаритных показателей.
Методика и основные задачи: выполнить анализ конструкций существующих портативных приборов, сформулировать перечень требований к ним, предложить, обосновать и разработать новый способ и конструкцию для создания нагружающих усилий на испытуемый образец с использованием сжатого газа; выполнить расчет конструкции всего прибора в целом и отдельных его сборочных единиц с учетом их взаимодействия.
Идея исследований — за счет реализации нового способа создания нагрузки на образец сжатым под большим давлением газом из мини-баллона обосновать и разработать портативный прибор с широким диапазоном нагрузок и методов испытаний.
Результаты. На основании проведенного обзора и анализа существующих конструкций портативных приборов установлены присущие им достоинства и недостатки. Сформулированы основные технические требования к портативному прибору, позволяющие перейти непосредственно к этапу его разработки и проектирования. Предложена новая конструкция портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород, основными новыми отличительными элементами и признаками которого являются новая система энергообеспечения, основанная на использовании в качестве рабочей среды газа под высоким давлением (30 МПа), который находится в мини-баллоне объемом 0,5 л, и осуществлена передача давления сжатого газа на образец через систему пневмоцилиндров. Произведен расчет необходимых параметров сжатого газа для проведения испытаний пород и его ожидаемого расхода в процессе испытаний. Разработаны основные положения методики проведения испытаний пород в новом приборе. В результате обоснована новая конструкция портативного прибора для экспресс-испытаний горных пород ППЭИ с минимально возможными массово-габаритными показателями: масса прибора 3,5 кг, размеры — 108×108×200 мм; масса пневмомультипликатора 2,2 кг, размеры — 108×108×60 мм. Научная новизна. Впервые использован в приборе в качестве рабочей среды газ под высоким давлением из мини-баллона; новая конструкция пневмомультипликатора для повышения в приборе давления сжатого газа до 10 раз и проведения испытания скальных пород на прямое сжатие; стопорное кольцо между нагружающим поршнем и образцом, устраняющее выброс нагружающего поршня из цилиндра при разрушении образца и ограничивающее расход газа. Практическая значимость. Разработанный прибор может стать основным средством по определению физико-механических показателей горных пород и искусственных каменных материалов и найти широкое применение в геологии, нефтяной, горной, строительной и других отраслях промышленности, а также в лабораториях вузов при подготовке специалистов горного и строительного профиля. |
||||
| Ключевые слова | горные породы, физико-механические свойства, экспресс испытания, портативные приборы, функциональные требования, конструкция, расчет, сжатый газ, пневмомультипликатор. | ||||
| Финансирование | |||||
| Список источников |
1. Лобанков В. М. Основы метрологии геофизических измерений. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. 198 с.
2. Bubnov E. Ya. Experimental studies of vibration fields of a freight train in the far zone // Journal of Physics: Conference Series. Intelligent Information Technology and Mathematical Modeling 2021, IITMM 2021 — Mathematical modeling and computational methods in problems of electromagnetism, electronics and physics of welding. Vol. 2131. 2021. Article 052051. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/5/052051 EDN EGZGSK
3. Вознесенский А. С. Системы контроля геомеханических процессов. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2002. 152 с. EDN SDSUZZ
4. Расчетная и аппаратурная база геомониторинга состояния массива методом регистрации естественного электромагнитного излучения / С. М. Простов и [др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 11. С. 183–193. DOI: 10.18799/24131830/2022/11/3840 EDN FKWVBW
5. Ezersky M., Eppelbaum L. V., Legchenko A. Applied Geophysics for Karst and Sinkhole Investigation: The Dead Sea and Other Regions. Bristol: IOP Publishing Ltd, 2023. 639 p. DOI: 10.1088/978-0-7503-3635-2
6. Prediction of plasma path and analysis of axial fracturing properties in rock fragmentation by high-voltage pulsed discharge (RHPD) / Yong Zhao, Yi Liu, Jin Cheng [et al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. 2024. Vol. 57. No. 32. Article 325502. DOI: 10.1088/1361-6463/ad44a1
7. Veryaskin A. V. Gravitational, Magnetic, and Electromagnetic Gradiometry (Second Edition). Strategic technologies in the 21st century. Bristol: IOP Publishing Ltd, 2021. 190 p. DOI: 978-0-7503-3803-5
8. Соколов К. О. Модель годографа электромагнитных волн, дифрагированных на локальном объекте при георадиолокационном изучении слоев горных пород криолитозоны. Горные науки и технологии. 2024. Т. 9 № 3. С. 199–205. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-05-118 EDN KIYAZU
9. Hurley R., Zhai Ch. Ultrasound and acoustic wave propagation measurements in rocks and granular media made concurrently with In Situ synchrotron x-ray imaging // The Journal of the Acoustical Society of America. 2023. Vol. 153. Iss. 3 (supplement). DOI: 10.1121/10.0018659
10. Khimulia V. V. Experimental Methods for Studying the Mechanical Properties of Rocks // Springer Geology. Processes in GeoMedia — Volume VI. 2023. Р. 295–304. DOI: 10.1007/978-3-031-16575-7_29
11. Will М., Rakers Е. Induced seismoacoustic events in burst-prone areas of West German coal mines // Gerlands Beitraege zur Geophysik. 1990. Vol. 99. Nо. 1. Р. 54–78.
12. Kiliç A., Teymen A. Determination of mechanical properties of rocks using simple methods // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2008. Vol. 67. Nо. 2. Р. 237–244. DOI: 10.1007/s10064-008-0128-3
13. Field investigations on rock fragmentation under deep water through fractal theory Measurement / H. Wang, S. Liu, X. Qu [et al.] // Journal of the International Measurement Confederation. 2022. 15 р. DOI: 10.2139/ssrn.4010404 EDN CGIEFI
14. Adeyemi Emman Aladejare, Kayode Augustine Idowu, Toochukwu Ozoji. Reliability of Monte Carlo simulation approach for estimating uniaxial compressive strength of intact rock // Earth Science Informatics.2024. Vol. 17. Р. 2043–2053. DOI: 10.1007/s12145-024-01262-1
15. Рекомендации по комплексу методов определения механических свойств горных пород (для инженерных расчетов горного давления). Л.: ВНИМИ, 1980. 105 с.
16. Требования к определению механических свойств горных пород при геологическом изучении полей шахт Министерства угольной промышленности СССР (при разведке, строительстве, реконструкции и эксплуатации). Л.: ВНИМИ, 1977. 95 с.
17. Инструкция по эксплуатации прибора-пробника БУ-39 / Министерство угольной промышленности СССР, Всесоюзный научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ВНИМИ. Л., 1974. 25 с.
18. Литвинский Г. Г., Курман С. А. Портативный прибор для экспресс-испытаний горных пород // Шахтное строительство, 1982. № 11. С. 12–14.
19. Прибор для механических испытаний горных пород: а. с. 641098 CCCР. № 2044978/22-03; заявл. 10.07.74; опубл. 05.01.79, Бюл. № 1. 3 с.
20. Прибор для испытания, горных пород расколом: а. с. 1446303 CCCР. № 4669571/31-03; заявл. 30.03.89; опубл. 15.12.90, Бюл. № 46. 3 с.
21. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород // под ред. Н. В. Мельникова, М. М. Протодьяконова, В. В. Ржевского. М.: Недра, 1975. 279 с.
|
||||
| Полный текст |
|
||||