Устройство для определения деформаций горных пород

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее корпус, внутри которого размещен шток, электрический преобразователь осевых деформаций, упругие элементы и продольнои поперечно-подвиж ные клинья, от л и ч а ю щ е есятем , что, с целью повышения надежности и информативности, оно снабжено сильфонами, дополнительным электрическим преобразователем осевых деформаций и дополнительными продольно- , и поперечно-подвижными клиньями, размещенными взаимно перпендикулярно друг к другу, причем корпус выполнен в виде полого стакана с перпендикулярными направляющими, упругие элементы выполнены с переменной жесткостью, при этом один конец каждого упругого элемента соединен с соответствующим поперечно-подвижным клином, а другой конец соединен со штоком, выполненным из двух часi тей, внутри корпуса расположены электрические преобразователи вых деформаций, чувствительный элемент каждого из которых соединен с соответствующей частью штока, на других концах которых установлены сильфоны, а поперечно-подвижные клинья выполнены с отверстиями для направляющих.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А (19) (117."Э(50 Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

i (21) 3436660/22-03 (22) 11.05:82 (46) 07.09.83. Бюл. Р 33 (72) Ю. С. Афанасьев, В. П. Калин« ников, М. Д. Мазья, В. Д. Палий, В. К. Пискарев, И. И. Протопопов, В. К. Скольнов, Е. С. Смелянский и М. С. Эпштейн (71) Всесоюзный ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский институт горной геомехани- --. ки и маркшейдерского дела (53) 622.254(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство .СССР:. Р 351101, кл. G 01 L 1/10, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 183461, кл. Е 21 В 47/08, 1965 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНЫХ ПОРОД, содержащее корпус, внутри которого размещен шток, электрический преобразователь осевых деформаций, упругие элементы и продольно- и поперечно-подвиж ные клинья, о т л и ч а ю щ е е с я .

Х тем, что, с целью повышения надежности и информативности, оно снабжено сильфонами, дополнительным электрическим преобразователем осевых деформаций и дополнительными продольно-, и поперечно-подвижными клиньями, размещенными взаимно перпендикулярно друг к другу, причем корпус выполнен в виде полого стакана с перпендикулярными направляющими, упругие элементы выполнены с переменной жесткостью, при этом один конец каждого упругого элемента соединен с соответствующим поперечно-подвижным клином, а другой конец соединен со штоком выполненным из двух часI

O тей, внутри корпуса расположены ® электрические преобразователи осе вых деформаций, чувствительный элемент каждого из которых соединен с соответствующей частью штока, на других концах которых установлены сильфоны, а поперечно-подвижные клинья выполнены с отверстиями для направляющих.

1040150

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения поперечных и продольных деформаций горных пород в окрестностях пробуренных в них скважин для дистанционной оценки напряженно- 5 деформированного состояния горного массива при подземных разработках полезных ископаемых и контроле за проявлениями горного давления.

Известно устройство для измере- 10 ния поперечных деформаций скважин, пройденных в массиве горных пород, которое состоит из четырехзвенника, жесткие элементы которого соединены шарнирами, причем два противопо- 15 ,ложных шарнира контактируют со стенками скважин и являются распорными: элементами, а два других связаны упругой струной, являющейся натяжным элементом. Йа струне в процессе монтажа устройства устанавливается помещенный в изолирующий жесткий корпус преобразователь, содержащий электромагнит. Необходимое натяжение струны создается в устройстве натяжной головкой, пропущенной.в одном из шарниров и снабженной натяжной гайкой. Ее вращением при вставленном в устье скважины устройстве добиваются необходимой частоты колебаний струны. Устройство досылают в скважину на заданную глубину.

Изменения диаметра скважины вызывают поперечные смещения.распорных шарниров и продольные деформации струны, сопровождающиеся соответст- 35 вующими изменениями частоты колебаний струны и, следовательно, частоты индуцируемого катушкой тока j1) .

Недостатками этого устройства являются малая степень надежности @) распора в двух точках при установке и эксплуатации, отсутствие защиты основного элемента - струны от вредных воздействий шахтной атмосферы у участков ее закрепления на шарнире и в натяжной головке, появление необратимых пластических деформаций струны в процессе ее нагружения при установке, эксплуатации и перестановке, ненадежная изоляция преобразователя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения продольных и поперечных деформаций пород в окрестности скважин, содержащее корпус, клиновой замок, расширяемые с помощью клинового замка упругие элементы в виде двух встречно ориентированных, дугообразных. пружин, скрепленных между собой жесткими 60 планками и реагирующих на поперечные деформации скважин, еакрепленную между центрами упругих элементов струну и укрепленный на одйой из пленок преобразователь (электромагнит). Распорный клиновой замок устройства состоит из двух боковых клиньев, соединенных между собой винтом, который, как и боковые клинья имеет правую и левую резьбу, и сред-! него клина, скрепленного с винтом спиральной пружиной растяжения.

Устройство раскрепляется с помощью диагонально противоположных дугообразных образующих сравнительно большой длины. Они поджимаются на заданной глубине к стенкам скважины средним клином, смещающимся вследствие перемещения боковых клиньев. Перемещение же боковых клиньев обеспечивается вращением винта.

Указанное устройство в раскрепленном виде работает по тому же принципу, что и рассмотренное выше. Изменение диаметра скважины вызывает изменение расстояния между центрами упругих элементов и изменение длины струны, а следовательно, и изменение частоты колебаний последней.

Вместе с тем, скрепление двух таких устройств позволяет измерять пеперечные деформации скважин во взаимно перпендикулярном направлении, а наличие насаженных на винты штанг дает воэможность использовать зти устройства в качестве реперов для измерения продольных деформаций пород в окрестности скважин, в частности, между устройствами и репером, заложенным в устье скважины (Z$ .

Недостатками устройства являются малый диапазон измеряемых величин, обусловленный ограниченностью изгиба жестких упругих элементов, недостаточная устойчивость клинового замка на винте, изменение расстояния между струной и электромагнитом, выход из строя устройств при быстром поперечном деформировании скважин, возможность определения взаимно перпендикулярных деформаций скважин только на удаленных друг от друга участках.

Указанные недостатки снижают работоспособность известного устройства и делают его мало надежным и недостаточно информативным.

Цель изобретения - повышение надежности и информативности устройства для определения деформаций горных пород в окрестности скважин.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения. деформации горных пород, содержащее корпус, внутри которого размещен шток, электрический преобразователь осевых деформаций, упругие элементы и продольно и поперечно-подвижные клинья, снабжено сильфонами, дополнительным электрическим преобразователем осевых деформаций и дополнитель. ними продольно- и поперечно-подвижными клиньями, размещенными взаимно

1040150 перпендикулярно друг к другу, при:чем корпус выполнен в виде полого стакана с перпендикулярными направляющими, упругие элементы выполнены с переменной жесткостью, при этом один конец каждого упругого элемента соединен с соответствующим поперечно подвижным клином, а другой конец соединен со штоком, выполненным из двух частей, внутри корпуса расположены электрические преобразователи осевых деформаций, чувствительный элемент каждого из которых соединей с соответствующей частью штока, на других концах которых установлены сильфоны, а поперечно-подвижные клинья выполнены с отверстиями для направляющих.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; ,на фиг. 2 — то же, поперечный разрез

Основным компоновочным узлом устройства для определения деформаций горных пород в окрестности скважин.. является жесткий корпус 1. На корпусе закреплены направляющие стержни

2, защищенные антикоррозионным ма- териалом, например фторопластом, полиуретаном, полихлорвинилом и др..

На каждую пару таких стержней, за крепленных по одной образующей, надет упругий отпорный элемент 3, который может быть выполнен в виде резиновой прркладки или пружины. По.верх этих элементов на направляющие стержни насажен поперечно-подвижнйй: самотормозящийся клин 4, который работает совместно.с продольно-подвижным клином 5. Для установки устройства по.оси скважины направляющие стержни, упругие отпорные элементы и клинья расположены диаметрально противоположно в одном или двух направлениях. Связь подвижных элементов с корпусом осуществляется посредством упругого кольца 6, размещенного в пазах продольно-подвижных клиньев, которые в зависимости . . от диаметра скважин могут иметь различную высоту.

В связи с тем что диаметры скважин могут быть различными, а их деформации передаются на диаметрально противоположные попережно-подвижные клинья, именно относительно послед- них и ведутся измерения. Они выполняются с помощью диаМетрально проти- воположных упругих элементов 7. Один из концов каждого из этих элементов скреплен с поперечно подвижным клином, другой - co штоком 8.

Благодаря скреплению упругих элементов на штоке перемещения попереч но-подвижных клиньев преобразуются в осевые перемещения штока. Последние определяются, в основном, воз-можностью изгиба элементов только . вблизи от участка закрепления на штоке, сохранением линейности удаленного от него участка. Поэтому ,для .увеличения осевых перемещений штока упругим элементам придана переменная жесткость, максимальная - на участках соединения с поперечно-подвижными с клиньями и минимальнаявблизи от места скрепления со штоком. При таком соотношении жесткости . эластичные участки упругих элементов

1О уподобливаются шарнирам, но в то же время исключают необходимость в дополнительных упругих элементах.

Шток 8 перемещается в направля" ющей втулке 9, в которой при необходимости уменьшения трения могут быть установлены осевые подшипники 10.

Таким образом обеспечивается идентичность деформаций упругих элементов и центровка штока по оси устройства и скважины.

Для определения величины осевых перемещений штока в корпусе может быть помещен индуктивный, трансформаторный фотоэлектрический иди цругой преобразователь линейных величин в электрические. В частности, при применении индуктивного преобразователя на штоке, введенном в корпусе через направляющую втулку, укреплен ферромагнитный мерный сердечник 11. Он перемещается в отверстии закрепленной индуктивной катушки 12. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности. этой катушки и соответствующее из35 менение частоты встроенного здесь же

LC-генератора 13.

Для защиты генератора, преобразователя и трущихся деталей от вред- ного воздействия шахтной атмосферы

4О на наружной поверхности втулки и на штоке закреплена, эластичная оболочка 14. Связь LC-генератора с источником питания и специальным или стандартным частотомером осуществляется

4 с помощью кабеля 15.

Устройство работает следующим образом.

При установке устройство перемещают в скважине до .заданной глубины трубчатым досыльником. На заданной глубине при перемещении досыльника натягивают кабель .или проволочную связь и останавливают дальнейшее перемещение корпуса. Это вызывает движение продольно-подвижных клиньев относительно поперечно-подвижных.

Относительное движение происходит при малых осевых усилиях. его результатом является расклинивание. устройства в .,скважине, которое со60 провождается поджимом поперечно-подвижных клиньев к корпусу и деформациями диаметрально противоположных упругих элементов. В результате .деформирования диаметрально противо. я положных упругих элементов происхо1040150

ВНИИПИ Заказ 6849/35 Тираж 603 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул. Проектная,4 дит осевое перемещение штока (штоков) и закрепленного на нем (на них) ферромагнитного сердечника (ферромагнитных сердечников). За счет этого изменяется индуктивность катушки и частота LC-генератора, к которому катушки могут подключаться последовательно с помощью стандартных реле. Измерение частоты генератора при установке устройства дает воэможность определять по по- (0 лученному ранее тарировочному графику усилие распора устройства в скважине и, следовательно, позволяет оценивать надежность его закрепления.

ПосЛе достижения необходимого 5 усилия распора досыльник извлекают, в устье скважины устанавливают устройство для определения продольных деформаций горных пород и выполняют исходную серию наблюдений. Дальнейшие поперечные деформации скважин вызывают поперечные перемещения клиньев, деформирование упругих элементов и продольные перемещения штоков с сердечниками и, следовательно, соответствующие изменения частоты генератора, которые фиксируются при периодических замерах. По изменениям частоты судят также о надеж» ности раскрепления предлагаемого устройства и о надежности показаний устройства для определения продольных деформаций.

Закрепление каждого из диаметрально противоположных упругих элементов на самотормозящемся клине, упруго 35 поджимаемом к корпусу продольно-подвижным клином облегчает установку устройства, предопределяет его использование при большом диапазоне диаметров скважин и всегда обеспечи- go вает соосность устройства и скважины.

Наличие самотормозящихся клиньев и возможность поджатия их к корпусу позволяет надежно определить поперечные деформации скважин без перемещения устройства вдоль оси скважин при

Р а8)tg (ac+ р) t(р где P — - осевое усилие вытягивания устройства, Н, Q - сила распора, Н;

Ю - угол заоткоски клиньев, - угол трения по поверхностям

1 контактов.

Выполнение данного условия при установке устройства дает возможность использовать его в качестве репера для измерения продольных деформаций и обуславливает применение проволочной связи такого репера с высокоточными замерными устройствами продольных деформаций.

Применение эластичной оболочки для изоляции от внешней среды обеспечивает постоянство сопротивления трущихся деталей и высокую работоспособность преобразователя, что повышает надежность устройства.

Наличие диаметрально противоположных упругих элементов, установленных взаимно перпендикулярно и скрепленных с независимыми друг от друга штоками, перемещающимися во втулках, расположенных в противоположных концах корпуса, позволяет определять поперечные деформации скважин в одном месте, но в различных направлениях. Возможность определения поперечных деформаций в двух направлениях еще более увеличивает информативность устройетва при сохранении его высокой надежности.