Скважинное устройство для возбуждения упругих волн в массиве

 

Использование: при возбуждении сейсмических волн в массиве горных пород в любом месте скважины для увеличения интенсивности поперечных волн в направлении, перпендикулярном оси скважины. Сущность изобретения: устройство содержит штангу, корпус, размещенные в нем перегородки, две пружины, распорный узел с контактными элементами, установленный с возможностью перемещения вдоль оси устройства, фиксатор, шток, вспомогательный шток, опорную плиту. 1 ил.

Изобретение относится к шахтной сейсморазведке и может быть использовано для сейсмического просвечивания между неглубокими скважинами для контроля напряженного состояния и определения акустических свойств горных пород в массиве.

Для выбора крепи и поддержания существующих горных выработок в угольных шахтах необходимо знать и контролировать распределение напряжений и трещиноватости вблизи стенки горной выработки. А также в связи с тем, что в эксплуатацию вовлекаются пласты, залегающие на больших глубинах в сложных горно-геологических условиях, все чаще выполняется упрочнение пород, для чего необходим контроль за его качеством.

При добыче угля в открытых разрезах экскаваторами необходимо знать местонахождение твердых локальных включений, приводящих к выходу из строя режущих частей экскаватора, во вскрышных породах и угле. Для решения перечисленных выше задач применяют сейсмическое просвечивание между неглубокими (до 5 м) и недалеко между собой расположенными (5-20 м) скважинами малых диаметров (3-5 см) с шагом между соседними пунктами возбуждения в скважине не более 0,5 м.

Известен источник упругих волн в массиве, представляющий собой штангу с наконечником, которые вставляют в скважину [1] Возбуждение волн происходит ударом падающего груза по выходящему из скважины торцу. Недостаток этого устройства состоит в том, что его возбуждение происходит в затворе скважины, в то время как для контроля состояния массива надо иметь возможность его производить в любом месте скважины.

Известно также скважинное устройство для возбуждения упругих волн в массиве, содержащее штангу, корпус с размещенной в нем жестко закрепленной перегородкой, штоком, двумя пружинами, вспомогательным штоком, распорным узлом, контактными элементами, фиксатором и опорной плитой [2] Устройство с помощью распорного узла и контактных элементов фиксируется в скважине. Распорный узел и контактные элементы имеют поверхности скольжения, вдоль которых выполнены направляющие и соответствующие им пары. Направляющие распорного узла имеют дополнительные пары для перемещения в них выступов, расположенных в верхней части пазов контактных элементов. Последние имеют с наружной стороны конусообразные зубья, которые помещены в продольные окна, выполненные в стенках корпуса в нижней его части. Устройство позволяет возбуждать упругие колебания в продольной части скважины.

Недостаток этого источника упругих волн состоит в том, что контактные элементы имеют длину, соизмеримую с шагом перестановки источника в скважине и поэтому при решении указанных выше задач не может считаться точечным и возбуждает продольную волну в поперечном к оси скважины направлении значительной интенсивности. Другим недостатком этого устройства является невозможность его использования в скважинах малых диаметров, а также создание им дополнительных напряжений, что искажает подлежащие контролю характеристики напряженности массива.

Целью изобретения является обеспечение возможности возбуждения волн в любом месте скважины малого диаметра при воздействии в направлении всей скважины и увеличении интенсивности поперечных волн в направлении, перпендикулярном оси скважины, за счет улучшения диаграммы направленности источника.

Для решения поставленной технической задачи в скважинном устройстве для возбуждения упругих волн в массиве, содержащем штангу, корпус, размещенные в нем жестко закрепленную перегородку, две пружины, распорный узел с контактными элементами, установленный с возможностью перемещения вдоль оси устройства, фиксатор, шток, одним концом соединенный с распорным узлом, а другим жестко связанный с фиксатором, вспомогательный шток, опорную плиту, при этом в стенках корпуса выполнены продольные отверстия для размещения в них контактных элементов, корпус снабжен дополнительной перегородкой, жестко закрепленной в нем, и втулкой, вдоль оси которой выполнена сквозная проточка, в которой размещен фиксатор, причем распорный узел выполнен в виде шарнирного четырехзвенника, два звена которого посредством шарнира связаны со штоком, а два других звена имеют на концах режущие части, являющиеся контактными элементами, и размещена в продольных отверстиях корпуса с возможностью перемещения в них и взаимодействия с дополнительной перегородкой, фиксатор выполнен в виде стакана с концевым выступом по внутреннему краю, подпружиненного относительно опорной плиты, и шарнирного Г-образного стержня, входящего в зацепление с указанным кольцевым выступом и подпружиненного относительно втулки, а опорная плита выполнена со сквозным продольным отверстием, смещенным относительно устройства, при этом продольные отверстия в корпусе расположены между дополнительной перегородкой и втулкой, а вспомогательный шток размещен в отверстии опорной плиты с возможностью взаимодействия одним концом с Г-образным стержнем, а другим с дном скважины.

На чертеже показана схема устройства, продольный разрез и диаграмма направленности устройства.

Устройство состоит из корпуса 1 в виде полого цилиндра. Внутри корпуса находятся жестко закрепленные в нем перегородка 2 и дополнительная перегородка 3, втулка 4, вдоль оси которой выполнена цилиндрическая проточка 5. Между дополнительной перегородкой 3 и втулкой 4 размещен распорный узел в виде шарнирного четырехзвенника, два звена 6 которого посредством шарнира 7 связаны со штоком 8 и таким образом распорный узел имеет возможность перемещения вдоль оси устройства, а другая пара звеньев 9 имеет на концах режущие части 10, являющиеся контактными элементами. Пара звеньев 9 с режущими частями 10 размещена в продольных отверстиях 11 корпуса с возможностью перемещения и взаимодействия с дополнительной перегородкой 3. В нижней части корпуса размещена опорная плита 12. Фиксатор выполнен в виде стакана 13 с кольцевым выступом 14 по внутреннему краю, подпружиненного относительно опорной плиты 12 с помощью пружины 15, и Г-образного стержня 16 с шарниром 17, входящего с помощью крючка в зацепление с кольцевым выступом 14. Шток 8 жестко соединен со стаканом 13. Стержень 16 подпружинен относительно втулки 4 с помощью пружины 18. Опорная плита 12 имеет сквозное продольное отверстие 19, смещенное относительно устройства. В отверстии 19 размещен вспомогательный шток 20 с возможностью взаимодействия одним концом с Г-образным стержнем 16, а другим с дном 21 скважины. Корпус 1 прикреплен к штанге 22, с помощью которой он размещается в скважине 23.

Устройство работает следующим образом. Усилием руки через отверстие 11 на звенья 9, 10, последние убираются в корпус 1, шток 8 перемещает стакан 13, преодолевая сопротивление пружины 15. Выступ 14 и крючок Г-образного стержня 16 входят в зацепление, и таким образом фиксируется положение звеньев 9, 10 внутри корпуса 1. Корпус 1 с помощью штанги 22 с размеченными на нем метками длины вводится в скважину 23 до тех пор, пока вспомогательный шток 20 не упрется в дно 21 скважины. При усилии на штангу 22 шток 20 нажмет на крючок стержня 16 и тот выйдет из зацепления с выступом 14, а пружина 15 начинает передавать усилия через шток 8 на распорный узел. Режущая часть 10 соприкасается через продольные отверстия 11 со стенками скважины. Выдвигая штангу 22 из скважины по стенкам, на ней устанавливаем режущую часть 10 в заданном положении скважины. При движении от дна 21 скважины режущая часть 10 скользит по ее стенке и поэтому это движение осуществляется легко. При совершении ударов по штанге 22 в направлении к забою скважины режущая часть 10 вклинивается в стенку скважины, создавая в ней выемку, до тех пор пока пара звеньев 9 всей длиной не соприкоснется с перегородкой 3. При этом звенья плоской своей частью располагаются перпендикулярно стенке скважины, при ударе по штанге 22 будет передавать усилия массиву в направлении вдоль оси скважины и, таким образом, является излучающей частью источника. При выполнении заданного числа ударов штанга 22 выдвигается из скважины на расстояние, равное шагу между пунктами возбуждения, и операция повторяется. Поскольку при данной конструкции устройства мы имеем источник, приближающийся к источнику в виде сосредоточенной силы, то диаграмма направленности будет иметь вид, показанный на фиг. 2, согласно которой в направлении, перпендикулярном оси скважины, поперечные волны будут иметь наибольшую амплитуду, а продольные волны отсутствовать. Очевидно, что при помещении предлагаемого устройства в скважину напряженное состояние массива не изменится.

Таким образом, получаем следующие технико-экономические преимущества.

Возможность возбуждать сейсмические волны в неглубоких скважинах малого диаметра с небольшим шагом между соседними пунктами возбуждения в скважине.

За счет улучшения диаграммы направленности источника повысить точность измерения характеристик поперечных сейсмических волн при контроле и исследовании напряженного состояния массива.

Формула изобретения

Скважинное устройство для возбуждения упругих волн в массиве, содержащее штангу, корпус, размещенную в нем жестко закрепленную перегородку, две пружины, распорный узел с контактными элементами, установленный с возможностью перемещения вдоль оси устройства, фиксатор, шток, одним концом соединенный с распорным узлом, а другим жестко связанный с фиксатором, вспомогательный шток, опорную плиту, при этом в стенках корпуса выполнены продольные отверстия для размещения в них контактных элементов, отличающееся тем, что корпус снабжен дополнительной перегородкой, жестко закрепленной в нем, и втулкой, вдоль оси которой выполнена сквозная проточка, в которой размещен фиксатор, причем распорный узел выполнен в виде шарнирного четырехзвенника, два звена которого посредством шарнира связаны со штоком, а два других звена имеют на концах режущие части, являющиеся контактными элементами, и размещены с возможностью взаимодействия с дополнительной перегородкой, фиксатор выполнен в виде стакана с кольцевым выступом по внутреннему краю и подпружиненного относительно опорной плиты с шарнирного Г-образного стержня, входящего в зацепление с кольцевым выступом и подпружиненного относительно втулки, а опорная плита выполнена со сквозным продольным отверстием, смещенным относительно оси устройства, причем продольные отверстия в корпусе расположены между дополнительной перегородкой и втулкой, а вспомогательный шток размещен в отверстии опорной плиты с возможностью взаимодействия одним концом с Г-образным стержнем, а другим с дном скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1