Устройство для определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 98432 А 1 ПАТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС ДЕТЕЛ ЬСТВ К А 8 ТОРСКОМУ зыскателье обьектов ий с изучеости массиод(по всей еолого-разповыше- рмацион- скальных в, фиг,1 представлен пр е перед началом исслразрез А-А на фиг.1, пр е перед началом иссле ыносной элемейт 1 на ессиометр в дований; на ессиометр в дований; на фиг.2 (керноНа ск важи фиг,2 - ск важи фиг.З(ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНИЕ ИЗО 1(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники(72) Г.Ф.Перлов, В,А.Бирман, Н,П.Рыдов и Ким Хен Су. (56) Рекомендации по методике прессиометрических исследований. Инструкция по эксплуатации прессиометрического комплекса ПК-ЗМ, М.; Гидропроект, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ (57) Использование; изыскательские работы при строительстве обьектов энергетики или других сооружений, изучение деформируеИзобретение относится к и ским работам при строительств энергетики или других сооружен нием деформируемости и прочн вов скальных и полускальных пор зоне сооружений) с помощью г ведочных скважин,Целью изобретения являетс ние точности определения деф ных и прочностных свойств а в мости и прочности массивов скальных и полускальных пород с помощью геологоразведочных скважин, Сущность изобретения; устройство содержит капсулу с диаметрально противоположными и продольными с выступами и поперечными пазами. Взаимонезависимые пары пуансонов установлены в противолежащих пазах капсулы, Нагружающее приспособление выполнено в виде эластичных камер, Устройство содержит первичные тензометрические преобразователи давления и перемещения и кернодержатели с кернами.Первичные тензометрические преобразователи давления и перемещения посредством электрических коммуникаций соединены с командно-измерительным щитом; 1 з.п. ф лы,бил. 0 держатель с кернами); на фиг,4- разрез Б-Б р на фиг.З; на фиг.5 - перемещение упругого р элемента при перемещении пуансона; на фиг,б- электронная схема измерений перемещения пуансона и давления жидкости в трубопроводе.Пресссиометр включает капсулу 1, состоящую из корпуса 2 с верхней 3 и а нижней 4 крышками; систему трубопровода 5, эластичные камеры б, сообщенные с трубопроводом, выдвижные пуансоны 7, смонтированные в пазах корпуса 2 с возможностью радиального перемещения, первичные преобразователи перемещения пуансона 8 и давлейия 9, сообщенного с трубопроводом врезным пат 1798432рубком 10, коммуникационную связь, ееразъем, электронные приборы (на чертежене показаны, электрическая схема измерения дана на фиг,6), упругие элементы 11 и 12в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней инижней частях.В сегменте корпуса капсулы выполненпродольный паз 13 со стенкой 14 и каналом15 от пуансона в паз. В пазе установленпервичный тензометрический преобразователь 8 с упругим элементом в виде плоскойбалки 16 с продольной осью симметрии, параллельной продольной плоскости симметрии пуансона. Один конец балки жесткозакреплен в корпусе капсулы с помощьювинта 17 и шайбы 18, а другой - беззазорноустановлен между соосными кернами 19 и20 кернодержателя 21, причем конец балкиимеет воэможность проскальзывать междуними в продольной плоскости симметриибалки. Кернодержатель через канал в стенке жестко связан с пуансоном с помощьювинтов 22, с целью герметизации конца балочки, пропущенного через керны (и самихкернов) предусматриваются прокладки 23,24, 25,С целью Регулирования О-левого зазораустановки балочки между кернами, один изних 19 - может быть неподвижным, а другой- 20 - перемещается в резьбе кернодержателя.Возможны другие конструктивные решения исполнения кернодержателя с кернами и способов крепления его в пуансоне,а неподвижного конца балочки в корпусекапсулы, При отсутствии агрессивной жидкости в скважине подвижный конец балочкиможно не защищать от коррозии.На балочку вблизи ее жестко закрепленного конца монтируется полный тензорезистивный мост 26. Мост от воздействияжидкости в скважине предохраняется покрытием эластичной мастикой, состоящей,например, из пчелиного воска, канифоли,веретенного масла и технического вазелина, а от попадания частиц породы или шлама крышкой 28.Все датчики перемещения и давления(первичный тензометрический преобразователь давления (Р/Чр) короткими экранированными линиями связи подключены кгерметизированному разъему В (фиг,6), установлвнному на верхней крышке корпуса(на фиг,1 условно не показан).Герметизированный разъем линиейэкранированной обратной связи подсоединяется к электронным приборам, установленным вне скважины, на поверхности.Предусмотрено измерения значений перемещения верха и низа пуансона, для чего продольные пазы и каналы 13, 15, 27 и 29 в стенке корпуса капсулы выполнены с двух сторон от пуансона, а первичные преобра зователи перемещения установленывстречно, причем кернодержатель одного преобразователя соединен с верхом пуансона, а другой - с его низом. Канал 29, аналогичный каналу 15, но зеркально 10 относительно него расположенный, на чертежах не показан.Устройство перед работой собирают втакой последовательности: подвижный конец упругой балочки каждого первичного 15 преобразователя перемещений встраиваютмежду кернами кернодержателя и с помощью подвижного керна устанавливают "нулевой" зазор. Неподвижный конец балочки с помощью набора прокладок 30 и 20 винта закрепляют в корпусе,. Кернодержа-тель пропускают в канал в стенке корпуса и закрепляют на пуансоне. Набор прокладок служит для установки балочки с предвари-тельным прогибом, чтобы разделить на две 25 части диапазон угла прогиба и повысить точность измерений за счет наиболее пОлного использования свойств малых углов. При максимально выдвинутом пуансоне и полностью убранном в корпус отклонения по движного конца балочки в обе стороны от.среднего промежуточного положения (нейтрального) должны быть примерно одинаковыми, Когда балочка не подвергается изгибу угол между осевыми линиями балочки и кер нов составляет 900.Таким образом, при отсутствии давления жидкости в трубопровЬде пуансон находится полностью в корпусе, а подвижный пуансон балочки отогнут на Максимальную 40 величину. Пуансоны фиксируются в корпусес помощью упругих колец, На верхней крышке монтируются первичные преобра- .зователи давдения и разьем, к которому подключаются короткие линии связи с пре образователями. Верхняя и нижняя крышкии рессиометра закрепляются на корпусе.Монтируется трубопроводная линия прессиометра (с учетом глубины. прессиометрии) и,к разъему с помощью экранированной кабель ной связи подсоединяются электронныеприборы, расположенные на поверхности.Определение деформационных и прочностных свойств скальных массивов заключается в.непрерывном поэтапном повышении 55 давления жидкости в гидросистеме и соответствующие перемещения пуансонов, контролируемые по электрическим сигналам первичных преобразователей; в процессе которого определяют диаметр скважины, сминают шероховатости на стенках масси35 50 ва, производят его прессиометрию, снижают давление под таким же контролем, причем измерение перемещения пуансонов наэтапах производится при разных коэффициентах усиления сигналов, определяют зави. симости изучаемых параметров массива,Работа устройства осуществляется следующим образом.При подаче давления в гидросистемуэластичные камеры раздвигаются и под ихвоздействием каждый пуансон выходит изкорпуса капсулы, перемещая при этом кернодержатель(или два кернадержателя, еслиих два - по одному с каждой стороны пуансона) и находящийся между кернами подвижный конец балочки. В процессеперемещения подвижного конца балочки отначального до нейтрального положенияусилие изгиба балочки приходится на верхний керн, а при дальнейшем перемещениибалочки (от ее нейтрального положения доконечного внедрения пуансона в массив) -на нижний керн, Сигналы от тензомоста балочек каждого пуансона компонентыдв 1/Ч 81, Ац/Чч (деформация верхнего инижнего конца балочек одного пуансона) идв 2/Чв 2, дн 2/Чн 2 (деформация верхнего инижнего конца балочек, связанных с диаметрально расположенным пуансономэтой же компоненты) с помощью коротких. коммуникационных экранированных лйний подаются на разъем и далее - на сумматор, аттенюатор, измерительныеусилители постоянного. тока с переменнымкоэффициентом передачи к регистрирующим и показывающим приборам, в том числе двухкоординатному прибору, а принеобходимоСти и на ЭВМ.Сигналы преобразователя давления вгидравлической системе через разъем и усилитель постоянного тока подаются на двухкоординатный потенциометр и ЭВМ.Давление в гидравлической системе при выдвижении пуансонов сравнительно невелико, так как оно реализуется в основном надеформацию эластичных камер и подсоедийений в трубопроводе внутри прессиометра. Резкое увеличЕние давлениясвидетельствует, что пуансоны достиглистенки скважины.Дйаметр скважины равен сумме перемещений пуансонов и расстояния между ними в собранном прессиометре,В момент начала роста давления, соответствующего началу внедрения пуансоновв породу после смятия неровностей на стенке скважины, в противофазу с источникомпитания моста подаются компенсирующиесигналы, равные по величине имеющимся,и увеличивается коэффициент усиления усилителей, соответственно меняется диапазон измерения перемещений,Давление в трубопроводе прессиомет 5 ра постепенно повышают в соответствии спрограммой прессиометрии, затем пуансоны разгружают и нагружают несколько раз,добиваясь получения достоверной зависимости деформации породы от усилия, дейст 10 вующего на нее. Полученные зависимостиобрабатывают для определения. необходимых параметров деформируемости и прочности массива.Замеры непосредственного перемеще 15 ния пуансонов с помощью первичных преобразователей обеспечивают следующиепреимущества:исключают влияние на результаты замеров температуры окружающей среды, а так 20 же разности температуры в скважине и наповерхности; обеспечивают высокую точность самих замеров (погрешность измерений очень мала, как видно из расчетныхданных таблицы).25 Преимущество встречно установленныхпервичных преобразователей заключаетсяв следующем;дается дополнительная информация оконфигурации скважины (на участке "стоян 30 ки", соответственно по глубине скважины),уточняется деформируемость как всего массива пород, так и отдельных пропластковего слагающих на основании зависимостейперемещения от нагружения породы под верхней и нижней частями каждого пуансона на "стоянке" и по глубине скважины, использование в расчетах прочностных характеристик массива усредненных перемещений верхнего и нижнего концов диа 40.метрально расположенных пуансонов ближе к фактическому перемещению, чем перемещенйе центра симметрии пуансона,определяемого экспериментально-аналитическим способом у прототипа,45 Установка первичного преобразователя давления на капсуле прессиометра (вблизи пуансона) устраняет погрешности измерений от возможного различия температуры в скважине и на поверхности, а также позволяет снизить погрешности замера нагрузки на пуансоны в зависимости от значения температуры в скважине.Другйм преимуществом использования первичных преобразователей является снижение трудоемкости тарирования их показателей и повышение точности самоготарирования,Получаемая информация о деформируемости массива при различных значениях его. иегрухтеиия трегистрирующих приборов, 1798432двухкоординатных .потенциометров или ЭВМ) служит основанием для принятия решения о повторном нагружении (разгрузке) массива при том или ином значении давления, достаточности полученных результа тов, целесообразности перемены места "стоянки" и других решений в процессе проведения исследований,Формула изобретения 10 1, Устройство для определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов, содержащее капсулу с диаметрально противопОложнцми пазами, в которых установлены взаимонезависимые 15 пары пуансонов, нагружающие приспособления в виде эластичных камер, напорный трубопровод и командно-йзмерительный щит, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения де формационных и прочностных свойств; устройство снабжено первичными тензометрическими преобразователями давления и перемещения, кернодержателями с керчами, в капсуле дополнительно выполнены продольные пазы с выступами и поперечные пазы, при этом каждый тензометрический преобразователь перемещения одним концом жестко установлен на выступе продольного паза, а другим концом - без зазора между кернами кернодержателя с возможностью проскальзывания. по его продольной оси, кернодержатель установлен в поперечном пазу капсулы и жестко связан с пуансоном, первичные тензометрические преобразователи давления и перемещения посредством электрических коммуникаций с 0 единены с командно-измерительным щитом, причем преобразователи давления установлены на напорном трубопроводе,2, Устройство по п.1, о т л и ч а Ю щ е ес я тем, что тензометрические преобразователи перемещения каждого пуайсона противоположно направлены относительно друг друга.lРедактор Л. ПавлОваЗаказ 75Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по йзобретенияМ и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москве, Ж, Раушская наб 4/51 5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 О