Деформометр для контроля напряженно-деформированного состояния в блочных структурах геосферы

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) в блочных структурах геосферы. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений деформаций путем устранения радиальных и осевых люфтов в узлах и деталях деформометра и выполнение распорного узла (РУ) измерительного зонда (ИЗ) подвижным; повышение точности оценки НДС горного массива путем возможности регистрации знакопеременных отклонений блоков горного массива. Деформометр содержит базовый зонд, по крайней мере, один ИЗ, соединенные штангами неподвижно и трубопроводом энергоносителя, и контроллер, соединенный с ИЗ электрокабелем. Базовый зонд состоит из корпуса и неподвижного РУ с опорными ножками, а И3 - из корпуса, РУ с опорными ножками и измерителя. Корпус ИЗ выполнен разъемным и состоит из силового и приборного патрубков, его РУ выполнен подвижным и размещен в силовом патрубке, а измеритель - в приборном патрубке. В качестве измерителя использован растровый датчик перемещений с подвижным наконечником. Подвижный РУ снабжен направляющим стержнем, а силовой патрубок - направляющей втулкой, в которой закреплена неподвижная планка с фиксирующим гнездом для установки подвижного РУ в среднем положении. Направляющий стержень подвижного РУ узла пропущен через направляющую втулку и постоянно контактирует с подвижным наконечником растрового датчика перемещений. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) в блочных структурах геосферы.

Известно устройство для измерения деформаций в скважинах по авт. св. СССР №587254, Е21С 39/00, опубл. в БИ №1, 1978 г., включающее измерительные преобразователи с тензодатчиками, задающее приспособление, механизм распора и подводящий кабель. Измерительные преобразователи выполнены в виде скоб, которые посредством шпилек закреплены на задающем приспособлении и ориентированы попарно навстречу одна относительно другой.

Это устройство имеет сложную конструкцию, которая затрудняет его сборку, монтаж в скважину, обслуживание, что обуславливает низкую надежность работы устройства и, как следствие, снижает точность измерений.

Использование в конструкции тензодатчиков не обеспечивает необходимого контакта при измерениях, что также снижает точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является деформометр для контроля НДС в блочных структурах геосферы по патенту РФ №2097558, Е21С 39/00, опубл. в БИ №33, 1997 г., включающий корпус и установленные в нем штангу, источники и приемник излучения и распорный узел. Согласно техническому решению корпус установлен подвижно относительно штанги, штанга снабжена боковыми отверстиями, каждый источник излучения размещен внутри штанги напротив бокового отверстия, приемник излучения выполнен в виде линейно чувствительных элементов, снабженных электронным выходом и закрепленных в корпусе напротив боковых отверстий штанги. Распорный узел состоит из опорного элемента, эксцентрика с пружиной и подвижного стержня с шарнирным соединением на каждом торце, проходящего через опорный элемент и корпус параллельно штанге. Эксцентрик установлен в опорном элементе, который жестко прикреплен к корпусу.

В процессе бурения скважины разбиваются и их фактические диаметры отличаются от номинальных, а поэтому крепление корпуса деформометра в скважине с помощью эксцентрика ненадежно, что снижает точность измерений. Конструкция сложна в настройке и обладает радиальными люфтами, что снижает надежность работы устройства и, как следствие, снижает точность измерений и усложняет оценку НДС массива по полученной информации.

Техническая задача, решаемая предлагаемым деформометром заключается в повышении эффективности его работы за счет:

- повышения точности измерений деформаций путем устранения радиальных и осевых люфтов в узлах и деталях деформометра и выполнения распорного узла измерительного зонда подвижным;

- повышения точности оценки НДС горного массива путем возможности регистрации знакопеременных отклонений блоков горного массива.

Задача решается тем, что в деформометре для контроля НДС блочных структур геосферы, содержащем базовый зонд, по крайней мере, один измерительный зонд, соединенные штангами неподвижно и трубопроводом энергоносителя, и контроллер, соединенный с измерительными зондами электрокабелем, при этом базовый зонд состоит из корпуса и неподвижного распорного узла с опорными ножками, а измерительный зонд - из корпуса, распорного узла с опорными ножками и измерителя, согласно техническому решению корпус измерительного зонда выполнен разъемным и состоит из силового и приборного патрубков, причем распорный узел измерительного зонда выполнен подвижным и размещен в силовом патрубке, а измеритель, в качестве которого использован растровый датчик перемещений с подвижным наконечником, - в приборном патрубке. Подвижный распорный узел снабжен направляющим стержнем, а силовой патрубок - направляющей втулкой, в которой закреплена неподвижная планка с фиксирующим гнездом для установки подвижного распорного узла в среднем положении. Направляющий стержень подвижного распорного узла пропущен через направляющую втулку и постоянно контактирует с подвижным наконечником растрового датчика перемещений.

Выполнение корпуса измерительного зонда разъемным, состоящим из силового и приборного патрубков, и размещение распорного узла в силовом патрубке, а измерителя - в приборном патрубке, делает конструкцию универсальной, в которой силовая и приборная части разделены. Это упрощает конструкцию и позволяет использовать для измерений датчики любых видов. При этом сборка указанных патрубков значительно упрощается, общая сборка сводится к простейшему их соединению и не требует специальной наладки, что повышает надежность работы конструкции и упрощает ее обслуживание.

Выполнение распорного узла измерительного зонда подвижным и снабжение его направляющим стержнем, а силового патрубка направляющей втулкой, позволяет центрировать положение распорного узла в корпусе силового патрубка, что исключает радиальные и осевые люфты, повышая точность измерений.

Выполнение измерителя в виде растрового датчика перемещений также повышает точность измерений. Его взаимодействие с направляющим стержнем подвижного распорного узла происходит за счет некоторого перемещения подвижного наконечника указанного датчика, при этом обеспечивается надежный постоянный контакт с подвижным распорным узлом, что также повышает надежность работы деформометра. Силовой патрубок с направляющей втулкой, в которой закреплена неподвижная планка с фиксирующим гнездом для установки подвижного распорного узла в среднем положении дает возможность регистрировать направление отклонений блоков относительно среднего положения подвижного распорного узла от динамических воздействий в горном массиве, что повышает точность оценки его НДС.

Целесообразно опорные ножки указанных распорных узлов выполнить со сферическими головками, что облегчает перемещения деформометра в скважине при монтаже и демонтаже за счет малой площади соприкосновения трущихся поверхностей, упрощая обслуживание деформометра.

Целесообразно указанные зонды соединить штангами по коническим поверхностям, чтобы обеспечить общую жесткость конструкции и устранить осевые люфты, что также повышает надежность работы и, как следствие, точность измерений.

Целесообразно также корпусы указанных зондов и штанги выполнить из стеклопластика, а направляющий стержень подвижного распорного узла, направляющую втулку силового патрубка - из углепластика. Это снижает массу конструкции и повышает коррозионную стойкость, что увеличивает продолжительность эксплуатации и упрощает обслуживание.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - схема размещения деформометра в скважине;

фиг.2 - конструкция измерительного зонда (продольный разрез);

фиг.3 - разрез А-А на фиг.2;

фиг.4 - общий вид подвижного распорного узла измерительного зонда;

фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4;

фиг.6 - общий вид базового зонда (продольный разрез);

фиг.7 - положение базового зонда в скважине (поперечный разрез);

фиг.8 - продольный разрез соединительной штанги.

Деформометр для контроля НДС в блочных структурах геосферы (далее - деформометр) состоит из базового зонда 1 (фиг.1) и, по крайней мере, одного измерительного зонда 2, соединенных между собой штангами 3 неподвижно, внутри которых пропущен трубопровод 4 энергоносителя, соединяющий распорные узлы зондов 1 и 2 с источником 5 энергоносителя. Через штанги 3 и зонды 1, 2 пропущен кабель 6, соединенный с входом контроллера 7. На контроллер 7 подано электропитание. Информацию снимают непосредственно с выхода контроллера 7, либо передают ее электронными устройствами на компьютер (на фиг.1. не показаны).

Контроль НДС в блочных структурах геосферы производят измерительным зондом 2 (фиг.2), который состоит из силового патрубка 8 и приборного патрубка 9. В корпусе силового патрубка 8 выполнены продольные пазы (на фиг.2 не показаны) для перемещения в осевом направлении подвижного распорного узла 10. Благодаря неподвижной планке 11, закрепленной в направляющей втулке 12, подвижный распорный узел 10 может устанавливаться в среднем положении за счет фиксирующего гнезда (на фиг.2 не показано) на неподвижной планке 11. Направляющая втулка 12 закреплена в силовом патрубке 8.

В приборном патрубке 9 установлен измеритель, выполненный в виде растрового датчика 13 перемещений. Силовой 8 и приборный 9 патрубки соединены в один разборный корпус с помощью втулки 14 из углепластика. Втулка 14 на конце имеет резьбу, с помощью которой она установлена на приборном патрубке 9. На другом ее конце имеются отверстия (на фиг.2 не показаны) для крепления втулки 14 с помощью винтов на силовом патрубке 8. Внутренняя полость силового патрубка 8 предохранена от попадания грязи обечайкой 15, которая установлена с возможностью перемещения вместе с подвижным распорным узлом 10 и закрывает продольные пазы силового патрубка 8. В обечайке 15 выполнены отверстия, через которые проходят опорные ножки 16 (фиг.3) подвижного распорного узла 10 для перемещения обечайки 15.

На концах измерительного зонда 2 размещены наконечники 17, 18 (фиг.2) для соединения со штангами 3, причем наконечники 17,18 соединены с измерительными зондами 2 и базовым зондом 1 с помощью резьбы на клее. Присоединительные поверхности наконечников 17,18 выполнены коническими для безлюфтового соединения. Свободный конец наконечника 17 силового патрубка 8 снабжен резьбой, свободный конец наконечника 18 приборного патрубка 9 имеет гайку (поз. не обозначена). Соединение соответствующих концов зондов 1, 2 и штанги 3 обеспечивает их плотное, безлюфтовое соединение.

Крепление измерительных зондов 2 в скважине производят за счет подвижного распорного узла 10, который состоит из корпуса 19 (фиг.4), запрессованной в него латунной гильзы 20 (фиг.5) и поршня 21 со штоком. Длина штока такова, что она, за счет утапливания поршня 21 в корпус 19, обеспечивает монтаж собранного подвижного распорного узла 10 в силовой патрубок 8, а для осуществления крепления указанного узла 10 в скважине на шток надевают упор 22 со сферической упорной поверхностью, закрепленный винтом. Корпус 19 (фиг.5) одностороннего действия, за счет пружины 23 подвижный распорный узел 10 в скважине разжат.

Внутри пружины 23 поршня 21 размещена пружина 24 фиксатора 25, при этом фиксатор 25 пропущен через крышку (поз. не обозначена) корпуса 19 и при перемещении поршня 21 вниз обеспечивает неподвижное крепление подвижного распорного узла 10 в силовом патрубке 8 за счет фиксирующего гнезда (поз. не обозначена) на неподвижной планке 11.

Для устранения люфтов и обеспечения центрации подвижного распорного узла 10 в силовом патрубке 8 в корпус 19 подвижного распорного узла 10 ввернут направляющий стержень 26 (фиг.4) из углепластика. В корпусе 19 узла 10 выполнены сквозные отверстия для последовательной подачи энергоносителя через штуцер 27.

Для крепления деформометра в скважине относительно выбранного реперного блока введен базовый зонд 1, состоящий из корпуса 28 (фиг.6), неподвижного распорного узла 29, который по конструкции аналогичен подвижному распорному узлу 10 измерительных зондов 2, но не имеет фиксатора 25, направляющего стержня 26, направляющей втулки 12 с неподвижной планкой 11 и фиксирующим гнездом. Благодаря отверстиям в корпусе 28 распорный узел 29 установлен неподвижно. На одном конце корпуса 28 закреплен наконечник 30 для соединения со штангой 3, а на другом его конце установлена заглушка 31. Подачу энергоносителя производят по трубке (поз. не обозначена) и штуцеру 32 (фиг.6).

Установку и центрацию зонда 1 в скважине производят с помощью опорных ножек 16. Для устранения самоотвинчивания ножек 16 при перемещении зондов 1, 2 применяют пружинный фиксатор 33 (фиг.7).

Измерительные зонды 2 и базовый зонд 1 соединены штангами 3, представляющими собой стеклопластиковые трубки 34 (фиг.8) с резьбовыми концами, на которые установлены на клею наконечники 35 с резьбой на одном конце и на другом конце наконечники 36 с гайками 37 и запорным кольцом 38. Соединение штанг 3 с зондами 1, 2 и друг с другом производят по коническим поверхностям. Для наконечника 35 с наружной резьбой посадочная коническая поверхность - внутренняя, для наконечника 36 с гайкой 37 посадочная коническая поверхность - наружная. Наличие конических посадочных поверхностей обеспечивает надежное, жесткое, безлюфтовое соединение.

Деформометр работает следующим образом.

Для запуска деформометра в работу производят его монтаж в скважину отдельными частями с соединением введенных частей между собой при постоянном продвижении их внутрь скважины. Вначале по длине скважины определяют место установки базового зонда 1 в блоке горного массива с условно принятым (относительным) нулевым перемещением (в реперном блоке).

В скважину вводят базовый зонд 1 (фиг.1) со штангой 3. Для этого подсоединяют к штуцеру 32 (фиг.6) трубку энергоносителя, затем ее второй конец пропускают через штангу 3, один конец которой с помощью наконечника 36, гайки 37 (фиг.8) соединяют с наконечником 30 базового зонда 1 и подключают к источнику 5 (фиг.1) энергоносителя. Затем включают этот источник 5. Поршень со штоком 21 неподвижного распорного узла 29 (фиг.6) утапливают, и базовый зонд 1 (фиг.1) со штангой 3 вводят в скважину. Собранную часть конструкции перемещают внутрь скважины на глубину, позволяющую присоединять к ее свободному концу следующую часть конструкции.

При последующих подсоединениях очередных конструкций в измерительном зонде 2 подвижный распорный узел 10 (фиг.2) устанавливают с помощью фиксатора 25 (фиг.5) в среднем положении силового патрубка 8 (фиг.2) в фиксирующем гнезде неподвижной планки 11 (фиг.2), закрепленной в направляющей втулке 12 (фиг.2) силового патрубка 8. Для дальнейшего перемещения в скважину конструкции поршень 21 с упором 22 отжимают от стенки скважины, одновременно сжимают пружину 24 фиксатора 25 (фиг.5) и фиксатором 25 прижимают подвижный распорный узел 10 к неподвижной планке 11 (фиг.2). Подвижный распорный узел 10 прочно удерживается от перемещений, а всю конструкцию можно передвигать внутри скважины при монтаже или демонтаже.

Во время присоединения конструкции источник 5 энергоносителя отключают. Для дальнейшего перемещения подсоединенной части вновь включают источник 5 энергоносителя и всю конструкцию перемещают вглубь скважины и так делают до полного монтажа деформометра. Базовый зонд 1 устанавливают в реперном блоке, а измерительные зонды 2 - в относительно подвижных блоках геосферы. Базовый зонд 1 (фиг.1), штанги 3, силовой патрубок 8, приборный патрубок 9 измерительного зонда 2 (фиг.2) образуют неподвижную систему, относительно которой подвижный распорный узел 10 (фиг.2) измерительного зонда 2 перемещается от деформаций стенок скважины.

После установки в реперный блок базовый зонд 1 (фиг.1) в скважине закрепляют неподвижно за счет неподвижного распорного узла 29 (фиг.6), установленного в корпусе 28, имеющем опорные ножки 16 (фиг.7) и упор 22 (фиг.7). Опорными ножками 16 зонд 1 (фиг.1) опирают на стенку скважины, а его закрепление производят упором 22 за счет пружины 23 (фиг.5).

Центрацию каждого измерительного зонда 2 (фиг.1) и его разжим в скважине производят с помощью подвижного распорного узла 10 (фиг.2), опорные ножки 16 (фиг.3) которого опирают на стенки скважины в относительно подвижных блоках, а подвижным упором 22 (фиг.3) разжимают его в скважине. Разжим узла 10 производят за счет постоянно действующей пружины 23.

Установленный в скважину деформометр с помощью электрических разъемов соединяют с входным разъемом контроллера 7 (фиг.1), который подключен к источнику электропитания (на фиг.1 не показан). Деформометр, полностью смонтированный в скважину, готов к работе.

При различных динамических воздействиях в горных массивах возникают деформации, что приводит геоблоки к знакопеременным перемещениям. Среднее положение подвижного распорного узла 10 в измерительном зонде 2 является нулевой границей, относительно которой определяется направление перемещений блоков (+; -). При установленном в скважину деформометре фиксатор 25 (фиг.5) подвижного распорного узла 10 (фиг.2) измерительного зонда 2 позволяет перемещаться ему совместно со стенками скважины относительно нулевой границы в прямом или обратном направлении. Направляющий стержень 26 (фиг.4) подвижного распорного узла 10 находится в постоянном контакте с подвижным наконечником растрового датчика 13 (далее - датчик 13) перемещений, который также перемещается и выдает информацию о НДС геоблоков. Основой деформометра является указанный датчик 13, преобразующий величину линейных перемещений в электрический сигнал. Действие датчика 13 основано на амплитудной модуляции светового потока при прохождении его через сопряжения двух перемещающихся друг относительно друга растров индикаторной и измерительной линеек. Датчик 13 формирует унифицированные выходные сигналы, содержащие информацию о величине и направлении перемещений геоблоков. Сигналы от датчика 13 поступают в контроллер 7 (фиг.1), где преобразуются в стандартные сигналы интерфейса RS-485. Накопленная информация может сниматься с контроллера 7 непосредственно, либо по линии связи направляться в компьютер. Деформометр может работать в ручном режиме, выдавая информацию периодически, или в автоматическом режиме, выдавая информацию непрерывно на компьютер.

1. Деформометр для контроля напряженно-деформированного состояния в блочных структурах геосферы, содержащий базовый зонд, по крайней мере, один измерительный зонд, соединенные штангами неподвижно и трубопроводом энергоносителя, и контроллер, соединенный с измерительными зондами электрокабелем, при этом базовый зонд состоит из корпуса и неподвижного распорного узла с опорными ножками, а измерительный зонд - из корпуса, распорного узла с опорными ножками и измерителя, отличающийся тем, что корпус измерительного зонда выполнен разъемным и состоит из силового и приборного патрубков, причем распорный узел измерительного зонда выполнен подвижным и размещен в силовом патрубке, а измеритель, в качестве которого использован растровый датчик перемещений с подвижным наконечником, - в приборном патрубке, при этом подвижный распорный узел снабжен направляющим стержнем, а силовой патрубок - направляющей втулкой, в которой закреплена неподвижная планка с фиксирующим гнездом для установки подвижного распорного узла в среднем положении, причем направляющий стержень подвижного распорного узла пропущен через направляющую втулку и постоянно контактирует с подвижным наконечником растрового датчика перемещений.

2. Деформометр по п.1, отличающийся тем, что опорные ножки указанных распорных узлов имеют сферические головки.

3. Деформометр по п.1, отличающийся тем, что указанные зонды соединены штангами по коническим поверхностям.

4. Деформометр по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что корпусы указанных зондов и штанги выполнены из стеклопластика, а направляющий стержень подвижного распорного узла, направляющая втулка силового патрубка - из углепластика.