Устройство для определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов

 

Использование: изыскательские работы при строительстве объектов энергетики или других сооружений, изучение деформируемости 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. флы, 6 ил. ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (SE)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4872630/33 (22) 09.10.90

- (46) 28.02.93. Бюл. ЬЬ 8 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) Г.Ф.Перлов, В,А.Бирман, H.Ï.Ðûäîâ и

Ким Хен Су (56) Рекомендации по методике прессиометрических исследований. Инструкция по эксплуатации прессиометрического комплекса

ПК-ЗМ, M.; Гидропроект, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ

СВОЙСТВ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ (57) Использование: изыскательские работы при строительстве объектов энергетики или других сооружений, изучение деформируеИзобретение относится к изыскательским работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений с изучением деформируемости и прочности массивов скальных и полускальных пород(по всей зоне сооружений) с помощью геолого-разведочных скважин.

Целью изобретения является повышеwe точности определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов.

На фиг.1 представлен прессиометр в скважине перед началом исследований; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1, прессиометр в скважине перед началом исследований; на фиг.3- выносной элемейт 1 на фиг.2 (керно5U, 1798432 А1 мости и прочностй 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. (/} 3

О держатель с кернами); на фиг.4- разрез Б-Б ОЪ на фиг.3; 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 ъ нижней 4 крышками; систему трубопровода 5, эластичные камеры 6, 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 пат1798432 рубком 10, коммуникационнук> связь, ее разъем, электронные приборы (на чертеже не показаны, электрическая схема измерения дана на фиг.6), упругие элементы 11 и 12 в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней и нижней частях.

В сегменте корпуса капсулы выполнен продольный паз l3 со стенкой 14 и каналом

15 от пуансона в паз. В пазе установлен первичный тензометрический преобразователь 8 с упругим элементом в виде плоской балки 16 с продольной осью симметрии, параллельной продольной плоскости симметрии пуансона. Один конец балки жестко закреплен в корпусе капсулы с помощью винта 17 и шайбы 18, а другой — беззазорно установлен между соосными кернами 19 и

20 кернодержателя 21, причем конец балки имеет воэможность проскальзывать между ними в продольной плоскости симметрии балки. Кернодержатель через канал в стенке жестко связан с пуансоном с помощью винтов 22, с целью герметизации конца балочки, пропущенного через керны (и самих кернов) предусматриваются прокладки 23, 24, 25, С целью Регулирования О-левого зазора установки балочки между кернами, один из них 19 — может быть неподвижным, а другой — 20 — перемещается в резьбе кернодержателя.

Возможны другие конструктивные решения исполнения кернодержателя с керяами и способов крепления его в пуансоне, а неподвижного конца балочки в корпусе капсулы, При отсутствии агрессивной жидкости в скважине подвижный конец балочки можно не защищать от коррозии.

На балочку вблизи ее жестко закрепленного конца монтируется полный тензорезистивный мост 26. Мост от воздействия жидкости 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/Vp) короткими экранированными линиями связи подключены к герметизированному разъему R (фиг,6), установленному на верхней крышке корпуса (на фиг.1 условно не показан).

Герметизированный разъем линией экранированной обратной связи подсое° диняется 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 преобразователи перемещения установлены встречно, 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 в такой последовательности: подвижный конец упругой балочки каждого первичного

15 преобразователя перемещений встраивают между 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 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 подвижного 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 кер35 нов составляет 900.

Таким образом, при отсутствии давления жидкости в трубопроводе пуансон находится полностью в корпусе, а подвижный пуансон балочки отогнут на Максимальную

40 величину. Пуансоны фиксируются в корпусе с помощью упругих колец, На верхней крышке монтируются первичные преобра- . зователи давления и разьем, к которому подключаются короткие линии связи с пре45 образователями. Верхняя и нижняя крышки и рессиометра закрепляются на корпусе.

Монтируется трубопроводная линия прессиометра (с учетом глубины. прессиометрии) и,к разъему с помощью экранированной кабель50 ной связи подсоединяются электронные приборы, 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 масси1798432 ва, производят его прессиометрию, снижают давление под таким же контролем, причем измерение перемещения пуансонов на этапах производится при разных коэффициентах усиления сигналов, определяют зави- 5 . симости изучаемых параметров массива.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче давления в гидросистему эластичные камеры раздвигаются и под их 10 воздействием каждый пуансон выходит из корпуса капсулы, перемещая при этом кернодержатель(или два кернадержателя, если их два — по одному с каждой стороны пуансона) и находящийся между кернами по- 15 движный конец балочки. В процессе перемещения подвижного конца балочки от начального до нейтрального положения усилие изгиба балочки приходится на верхний керн, а при дальнейшем перемещении 20 балочки (от ее нейтрального положения до конечного внедрения пуансона в массив)— на нижний керн. Сигналы от тензомоста балочек каждого пуансона компоненты дв1/Чв, Aj/Чн (деформация верхнего и 25 нижнего конца балочек одного пуансона) и дв2/Чв2, дн2/Чн2 (деформация верхнеГо и нижнего конца балочек, связанных с диаметрально расположенным пуансоном этой же компоненты) с помощью коротких 30 коммуникационных экранированных лйний подаются на разъем и далее — на сум-. матор, аттенюатор, измерительные усилители постоянного. тока с переменным коэффициентом передачи к регистрирую- 35 щим и показывающим приборам, в том числе двухкоординатному прибору, а при необходимоСти и на ЭВМ.

Сигналы преобразователя давления в гидравлической системе через разъем и уси- 40 литель постоянного тока подаются на двухкоординатный потенциометр и ЭВМ.

Давление в гидравлической системе при выдвижении пуансонов сравнительно невелико, так как оно реализуется в основном на 4б деформацию эластичных камер и подсоеди-. йений в трубопроводе внутри прессиометра. Резкое увеличоние давления свидетельствует, что пуансоны достигли стенки скважины. - "0

Дйаметр скважины равен сумме перемещений пуансонов и расстояния между ними в собранном прессиометре.

В момент начала роста давления, соответствующего началу внедрения пуансонов Бб в породу после смятия неровностей на стенке скважины, s противофазу с источником питания моста подаются компенсирующие сигналы. равные по величине имеющимся, и увеличивается коэффициент усиления усилителей, соответственно меняется диапазон измерения перемещений, Давление в трубопроводе прессиометра постепенно повышают в соответствии с программой прессиометрии, затем пуансоны разгружают и нагружают несколько раз, добиваясь получения достоверной зависимости деформации породы от усилия, действующего на нее. Полученные зависимости обрабатывают для определения. необходимых параметров деформируемости и прочности массива.

Замеры непосредственного перемещения пуансонов с помощью первичных преобразователей обеспечивают следующие преимущества: исключают влияние на результаты замеров температуры окружающей среды, а также разности температуры в скважине и на поверхности; обеспечивают высокую точность самих замеров (погрешность измерений очень мала, как видно из расчетных данных таблицы).

Преимущество встречно установленных первичных преобразователей заключается в следующем; дается дополнительная информация о конфигурации скважины (на участке "стоянки", соответственно по глубине скважины), уточняется деформируемость как всего массива пород, так и отдельных пропластков его слагающих на основании зависимостей перемещения 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 диаметрально расположенных пуансонов ближе к фактическому перемещению, чем перемещенйе центра симметрии пуансона, определяемого экспериментально-аналитическим способом у прототипа.

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 трудоемкостй тарирования их показателей и повышение точности самого тариро вания.

Получаемая информация о деформируемости массива при различньix значениях его нагружения (регистрирующих приборов, .

1798432 двухкоординатных потенциометров или

3l3M} служит основанием для принятия решения о повторном нагружении (разгрузке} массива при том или ином значении давления, достаточности полученных результа- 5 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 противоположными 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- 20 формационных и прочностных свойств., устройство снабжено первичными тензометрическими преобразователями давления и перемещения, кернодержателями с керчами, в капсуле дополнительно выполнены продольные пазы с выступами и поперечн bre пазы, и ри 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 соединены с командно-измерительным щитом, причем преобразователи давления установлены на напорном трубопроводе.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а о щ е ес я тем, что тензометрические преобразователи перемещения каждого пуайсона противоположно направлены относительно друг друга.

1798432

А-А

1798432

Составитель Г. Перлов

Редактор Л. ПавлОва Техред M. Моргентал Корректор Е. Папп

Заказ 755 . - . Тираж - Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по йзобретенияМ и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 1Q1