Dispositivo y Método para la realización de ensayos que determinan el mecanismo de rotura sobre muestras de roca empleando discos de corte.
Dispositivo y método para la realización de ensayos que determinan el mecanismo de rotura sobre muestras de roca empleando discos de corte (21).
El desplazamiento del disco de corte (21) sobre la muestra de roca sigue una trayectoria curva igual o proporcional a la de un disco de corte acoplado en la cabeza de corte de una tuneladora sobre el frente de excavación de un macizo rocoso. Con la utilización de dos discos (21) de forma simultánea también se comprueba la influencia de la interacción de las grietas inducidas por cada disco.
De aplicación en los sectores en que se diseñen, produzcan o utilicen dispositivos que empleen discos de corte para la excavación en roca, como es el caso de las TBM, con objeto de ayudar a una mejor optimización de la excavación subterránea gracias al análisis previo del mecanismo de rotura de la roca.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200362.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE OVIEDO.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GONZALEZ NICIEZA,CELESTINO, ALVAREZ FERNANDEZ,M. INMACULADA, ALVAREZ VIGIL,ARTURO, LOPEZ GAYARRE,FERNANDO, GARCIA FERNÁNDEZ,Carmen Covadonga.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- E21B49/00 CONSTRUCCIONES FIJAS. › E21 PERFORACION DEL SUELO O DE LA ROCA; EXPLOTACION MINERA. › E21B PERFORACION DEL SUELO O DE LA ROCA (explotación minera o de canteras E21C; excavación de pozos, galerías o túneles E21D ); EXTRACCION DE PETROLEO, GAS, AGUA O MATERIALES SOLUBLES O FUNDIBLES O DE UNA SUSPENSION DE MATERIAS MINERALES A PARTIR DE POZOS. › Ensayos para determinar la naturaleza de las paredes de los orificios de perforación; Ensayo de las capas; Procedimientos o aparatos para obtener muestras de terreno o de los fluidos del pozo, especialmente adaptados a perforaciones del suelo o de pozos (muestras en general G01N 1/00).
Fragmento de la descripción:
pueden emplearse en el estudio y diseño de las TBMs se pueden dividir en dos
categorías:
l. Condiciones del macizo rocoso. Incluyen parámetros relacionados con características de la roca intacta y del macizo rocoso:
A. Características de la roca intacta: Resistencia de la roca intacta (expresada como resistencia a compresión uniaxial, resistencia a tracción y/o índice de carga puntual I50) . Dureza (índice de penetración) y perforabilidad (DRI o Drilling Rate Index) . Índice de fragilidad (BI, expresado como el cociente entre la resistencia a compresión uniaxial y la resistencia a tracción) . Índice de abrasividad (índice de Cerchar CAl) . Otros (coeficiente de Poisson v, Módulo de Elasticidad E, ángulo de fricción interna<!>, porosidad, tamaño de grano, etc.) .
B. Condiciones del macizo rocoso y discontinuidades: Espaciamiento entre discontinuidades, Rock Quality Designation (RQD) . El ángulo entre el eje del túnel y los planos de debilidad. Clasificación del macizo rocoso en base a índices como el RMR (Rock Mass Rate) o el índice Q. Otros parámetros tales como las tensiones del macizo o afluencia de agua.
2. Parámetros de la máquina TBM. Entre estos parámetros destacan: Empuje (carga por cortador) . Torsión. Revoluciones por minuto (R.P.M.) Potencia. Especificaciones del disco, tales como el número de discos en la cabeza de corte, espaciamiento entre discos, el diámetro, anchura del filo, etc.
Para la predicción del rendimiento de las máquinas tuneladoras existen gran variedad de modelos. Algunos de ellos están basados, principalmente, en uno o dos parámetros de la roca, mientras otros se basan en una combinación de los resultados
obtenidos en el laboratorio y en el terreno junto con parámetros asociados a la máquina. En general, los métodos para la predicción del rendimiento de las TBM se clasifican en dos categorías: modelos teóricos/experimentales (basados en ensayos de 5 laboratorio encaminados a estudiar las fuerzas implicadas durante el proceso de excavación) ; y modelos empíricos (basados en estimaciones y estudios hechos sobre el terreno donde se establecen relaciones entre los parámetros mecánicos de la tuneladora y las características geomecánicas del macizo rocoso) . A continuación se citan algunos de los métodos utilizados para predecir el rendimiento de las 1O tuneladoras. Modelos teóricos/experimentales Los modelos teóricos/experimentales han sido utilizados por diferentes autores para hacer una estimación de las fuerzas que actúan en los discos de corte. Estimar estas fuerzas es un aspecto crítico en toda excavación pues permitirá la obtención de 15 parámetros esenciales para predecir rendimientos, especificaciones en el tipo de máquina a emplear y las características adecuadas para una optimización de la cabeza de corte. En Graham, P. C. (1976) , Rack exploration for machine manufactures. Symposium on Exploration for Rock Engineering J ohannesburg, Balkema. 1: 80 173., Farmer, I. W.; Glossop, N. H. (1980) , Mechanics of disc cutter penetration. 20 Tunnels Tunnell, 12 (6) : 22-25, Snowdon, A. R.; Ryley, D. M.; Temporal, J. (1983) . Study of Disc cutting in select British Rocks. Int. J. of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 19, 107-121 y Sarrio, H. P. (1985) , Prediction of the performance of disc cutters in anisotropy rocks. Int. J. of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 22/3, 153-161 se pone de manifiesto una 25 importante correlación entre la resistencia a compresión de la roca y la energía específica, definida esta última como la cantidad de energía necesaria para excavar una unidad volumétrica de roca. En Roxborough, F. (1975) , Research in Mechanical Rack Excavation: Progress and Prospects. In. Proceedings of Rapid Excavation and Tunnelling Conference, 1, 225 2 244. New York, USA, Ozdemir, L.; Miller, R.; 30 Wang, F. D. (1978) . Mechanical Tunnel Boring Prediction and Machine Design.Final Project Report to NSF APR73-07776-A03, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA, Sanio, H. P. (1985) . Prediction ofthe performance ofdisc cutters in anisotropy rocks.Int. J. of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 22/3, 153-161, Sato, K.; Gong, F.; Itakura, K. (1991) . Prediction of disc cutter performance using a circular rock cutting ring. In: Proceedings, The first 5 International Mine Mechanization and Automation Symposium, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, USA y Rostami, J.; Ozdemir, L. (1993) . A new model for performance prediction of hard rock TBM. In: Bowerman, L. D., et al. (Eds.) , Proceedings, Rapid Excavation and TunnellingConference, pp. 793-809 se estudiaron la influencia de las discontinuidades y planos de debilidad observando, en todos los 1O casos, una significante reducción de las fuerzas que actúan en el disco en presencia de juntas, excepto para juntas orientadas en dirección normal a la de corte. En el mismo sentido, en el Departamento de Ingeniería de Excavación y Mecánica del Terreno (Excavation Engineering and Earth Mechanics Department) de la Universidad de Colorado (Colorado School ofMines o CSM) se desarrolló un modelo 15 de predicción de la velocidad de penetración en túneles. La primera versión de este modelo fue publicado en Ozdemir et al. (1978) y actualizada posteriormente en Rostami, J.; Ozdemir, L. (1993) . A new model for performance prediction of hard rock TBM. In: Bowerman, L. D., et al. (Eds.) , Proceedings, Rapid Excavation and Tunnelling Conference, pp. 793-809, Rostami, J. (1997) . Development of a force 20 estimation model for rock fragmentation with disc cutters through theorical modeling and physical measurement ofcrushed zone pressure. Ph. D. Thesis, Colorado School of Mines, Gol den Colorado, USA, p. 249. El modelo de CSM pretende hacer una estimación de la fuerza necesaria para una penetración dada, basándose en las propiedades de la roca, en las características del disco y en la geometría del corte. El 25 modelo se apoya en los resultados obtenidos a través de ensayos de laboratorio empleando un disco de corte en sentido lineal. El problema es que, aunque a priori este ensayo podría ayudar a descifrar las incertidumbres que no se identifican...
Reivindicaciones:
l. Dispositivo para la realización de ensayos que determinan el mecanismo de rotura en muestras de roca que comprende:
a) al menos un disco de corte (21) desplazable que se pone en contacto con una muestra de roca y que rueda sobre ella;
b) un cabezal (22) que aloja el disco de corte (21 ) , desplazable a lo largo de tres ejes ortogonales X, Y, Z, donde el eje X es longitudinal horizontal, el eje Y es transversal horizontal, y el eje Z es vertical, y que pivota al menos alrededor del eje Z;
e) unos medios motores controlados;
d) unos medios de transmisión que transmiten el movimiento de los medios motores y desplazan el cabezal (22) ;
e) unos medios de adquisición de datos del ensayo;
f) un armazón estructural que soporta y asegura la estabilidad del conjunto, incluyendo la muestra de roca.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende dos discos de corte (21) alojados en el interior del cabezal (22) , acoplados a un mismo eje de giro (23) y con un espaciamiento entre los dos discos comprendido entre 5 cm y 40 cm.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado por que el/los disco/s de corte (21) es/son el/los de la cabeza de corte de una tuneladora.
4. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios motores controlados comprenden:
- unos motores eléctricos con un regulador de velocidad y un codificador angular, asociados a cada movimiento del cabezal (22) lineal respecto a los ejes X, Y o angular respecto al eje Z;
- una bomba hidráulica o neumática asociada al movimiento lineal del cabezal (22) respecto al eje Z;
- un control eléctrico o electrónico de velocidad y de posición angular y/o de presión.
5. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios de transmisión comprenden un conjunto de husillo de bolas (7) y abrazadera (10) que se desplaza a lo largo del eje X; un conjunto de husillo de bolas (7) y abrazadera
(10) que se desplaza a lo largo del eje Y; un conjunto cilindro (15) y vástago (16) hidráulico o neumático asociado al cabezal (22) y que se desplaza a lo largo del
1 O eje Z; y un conjunto de engranajes o poleas con correa asociados al cabezal (22) que lo giran alrededor del eje Z.
6. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que los medios de adquisición de datos de ensayo son una célula de carga, un transductor de presión
o un manómetro.
7. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado por que el armazón estructural a su vez comprende una base exterior (1) en forma de paralelogramo; cuatro pilares (3) unidos por su extremos inferiores a la base exterior (1) ; una plataforma exterior ( 5) , en forma de paralelogramo y unida a los extremos superiores de los pilares (3) , que contiene unos medios de transmisión que desplazan una
plataforma interior (6) a lo largo del eje X; una plataforma interior (6) que contiene unos medios de transmisión que desplazan un armazón (17) a lo largo del eje Y; un armazón (17) que contiene unos medios de transmisión que desplazan el cabezal (22) a lo largo del eje Z y unos medios de transmisión que giran el cabezal
(22) respecto al eje Z; y un portamuestras que aloja una muestra de roca para su 25 ensayo.
8. Dispositivo según la reivindicación 3 caracterizado por que el desplazamiento del
o de los disco/s de corte (21) sobre la muestra de roca sigue una trayectoria curva igual o proporcional a la del disco de corte (21) acoplado en la cabeza de corte de una tuneladora sobre el frente de excavación de un macizo rocoso.
30 9. Método para la realización de ensayos del mecanismo de rotura en muestras de
roca que comprende las siguientes etapas:
a) colocar una muestra prismática de roca dentro de un portamuestras estable;
b) poner en contacto perpendicularmente un disco de corte (21) con la muestra haciendo coincidir el punto de contacto del disco de corte (21) sobre cualquier punto de la cara superior de la muestra evitando el contacto del disco de corte
(21) con el portamuestras; e) aplicar una carga sobre el disco de corte perpendicular a la muestra de modo que el disco de corte (21) penetre en la roca originando un corte en la misma;
d) desplazar el disco de corte (21) sobre la cara a ensayar siguiendo una trayectoria curva igual o proporcional a la del disco de corte (21) acoplado en la cabeza de corte de una tuneladora sobre el frente de excavación de un macizo rocoso;
e) medir la huella generada como consecuencia del desplazamiento del disco de corte (21) para estimar el volumen de roca arrancada según la carga aplicada.
1O. Método según la reivindicación 9 caracterizado por que la carga de la etapa e) se determina en función de los resultados de un ensayo anterior para optimizar el mecanismo de rotura de la roca.
11. Método según la reivindicación 9 caracterizado por que en la etapa b) se ponen en contacto con la muestra dos discos de corte (21 ) .
12. Método según la reivindicación llcaracterizado por que los discos de corte (21) comparten el eje de rotación (23) .
13. Método según la reivindicación 12 caracterizado por que los espaciamientos entre los dos discos de corte (21) se determinan en función de los resultados de un ensayo anterior para analizar la influencia de la interacción entre las tensiones inducidas por ambos discos.
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