СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ СТЕНОК СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и оценки удароопасности горных выработок.

Известны и находят широкое применение ряд геофизических методов оценки напряженного состояния горных пород и удароопасности горных выработок, такие как электрометрия, сейсмоакустика и т.п. При использовании этих методов о напряженном состоянии массива пород и степени удароопасности судят по отклонению того или иного физического параметра, но т.к. изменения физических параметров пород определяются не только горным давлением, но и рядом других факторов (влажность, температура, тектоника и т.п.), учесть которые часто не представляется возможным, достоверность геофизических методов довольно низка.

Известен способ оценки направлений в массиве пород по деформациям контура отверстий на контуре сечения выработок [1]. Сущность способа состоит в измерении интегральных рациональных деформаций контура скважины и расчета напряженного состояния. Недостатком этого способа является то, что при помощи его нельзя определить направление деформации по координатам. Надежность этого метода невысокая, т.к. расчетные данные о напряжениях в массиве могут значительно отличаться от истинных.

Известен способ измерения деформаций стенок скважин при помощи регистрирующего устройства для контроля относительного сдвижения горных пород, заключающийся в преобразовании механических деформаций в электрические колебания и проведении измерений [2]. Известное регистрирующее устройство, выбранное в качестве аналога заявляемого устройства, содержит преобразователь механических колебаний в электрические, выполненный в виде приемного активного контура, и измерительный узел. Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают надлежащей точности, информативности и надежности контроля, т.к. изменение собственной частоты контура находится в сложной степенной зависимости от линейных смещений горных пород. Кроме того, способ предполагает гальваническую связь первичного датчика с регистрирующим устройством, что в шахтных условиях вносит еще дополнительную погрешность в результаты измерений.

Известно также устройство измерения деформации контура выработки, содержащее преобразователь механических колебаний в электрические, состоящий из передающего емкостного контура (репер с диэлектрическим ножом, проволочными перемычками и конденсаторами), связанного с приемным активным контуром (катушка индуктивности), и измерительный узел, состоящий из гетеродинного индикатора резонанса и индикатора [3]. При деформации выработки нож поочередно перерезает перемычки. При этом емкость контура дискретно изменяется (уменьшается), дискретно изменяется (повышается) его частота. По изменению частоты судят о количестве поврежденных перемычек и о деформации выработки. Таким образом, и здесь о деформациях выработки судят по изменению частоты выходного сигнала. Гетеродинный индикатор резонанса (ГИР) здесь служит для определения изменения частотного диапазона передающего контура. При этом независимо от направления деформации датчик может передавать информацию только об одной из двух (сжатие или растяжение) направлений, что значительно ограничивает область применения таких датчиков, уменьшает информативность. Кроме того, эти датчики являются датчиками разового использования.

Целью изобретения является увеличение информативности и достоверности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения деформаций стенок скважин, включающем определение величины и направления смещений в скважине путем преобразования механических деформаций в электрические колебания, в скважине размещают пассивный передающий контур, индуктивно пассивному контуру располагают активный приемный контур гетеродина измерителя, который предварительно настраивают на среднюю точку линейного участка резонансной частотной кривой гетеродина в режиме квазирезонанса и принимают эту точку за условный нуль, а затем по смещению средней точки токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина измерителя регистрируют абсолютные значения линейных смещений стенок скважин, по которым определяют направление и значения горного давления.

Достигается это также тем, что устройство для измерения деформаций стенок скважин, содержащее преобразователь механических колебаний в электрические, включающий приемный активный контур и измерительный узел, включающий индикатор и гетеродин, а измерительный узел снабжен передающим пассивным контуром, связанным индуктивно с приемным активным контуром, и усилителем тока.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Индуктивная связь датчика, передающего информацию о степени деформации стенок скважины, с приемным датчиком измерительной аппаратуры значительно упрощает процесс исследования состояния массива горных пород в динамике. Настройка приемного контура гетеродина гетеродинного индикатора резонанса на линейный участок резонансной кривой, адекватного линейному участку кривой изменения тока коллектора гетеродина, позволяет по изменению тока с учетом знака определять абсолютные линейные размеры деформации стенок скважин, а по знаку значений тока определять направление деформаций по координатным осям, т.е. исследовать динамику геомеханического процесса, повышает информативность способа и надежность получаемых данных о состоянии массива горных пород.

Предлагаемый способ измерения деформаций стенок скважин осуществляется следующим образом.

П р и м е р. Проводят стендовые лабораторные испытания способа.

Пластмассовая труба имитирует скважину. Деформацию стенок трубы производят прессом, размер деформации контролируется микрометром. Перед началом измерений (этап градуировки) приемный активный контур (приемный датчик) помещает против передающего пассивного контура (передающий датчик). Пассивный контур, имеющий некоторую осевую степень свободы по ферритовому стержню, настраивают его перемещением по ферритовому стержню так, чтобы вывести активный приемный контур в режим квазирезонанса на линейный участок резонансной кривой. При этом среднюю точку (взятую за условный нуль отсчета линейного участка) выбирают по токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина гетеродинного индикатора резонанса, являющейся зеркальным отображением резонансной кривой (нулевой отсчет на индикаторе усилителя тока). На этом этап градуировки заканчивается.

При деформации под прессом стенок скважины, например, по координатной оси Z шток вводит ферритовый стержень в передающий контур и увеличивает его индуктивность. Увеличение индуктивности передающего контура через индуктивную связь увеличивает индуктивность приемного контура, что ведет к увеличению поглощения энергии и коллекторный ток гетеродина гетеродинного индикатора резонанса увеличивается. Это увеличение тока фиксируется индикатором усилителя тока уходом стрелки в положительную область шкалы относительно нулевого отсчета. При деформации прессом стенок скважины, например, по оси Y шток выводит ферритовый стержень из передающего контура, что уменьшает его индуктивность и в конечном счете ведет к уменьшению тока гетеродина гетеродинного индикатора резонанса. Это уменьшение тока фиксируется индикатором усилителя тока уходом стрелки в отрицательную область шкалы.

Размер деформации стенок скважины изменяют в пределах +5мм, что соответствует изменению тока на индикаторе усилителя тока 5мА. Таким образом, линейное изменение деформации стенок скважины линейно изменяет значение фиксируемого тока и в дальнейшем по значениям тока с учетом знака определяют размер линейной деформации стенок скважины, а по знаку значений тока - направление деформаций по координатным осям, т.е. динамику процесса.

На фиг.1 изображено устройство для измерения деформаций стенок скважин; на фиг.2 - токовая кривая изменения коллекторного тока гетеродина.

Устройство для измерения деформаций стенок скважин состоит из передающего пассивного контура 1, связанного с ферритовым стержнем 2 и системой рычагов 3. Напротив передающего контура 1 индуктивно установлен приемный активный контур гетеродина 4, связанный с гетеродинным индикатором резонанса 5, усилителем тока 6 и индикаторами 7.

Устройство работает следующим образом. Радиальная деформация стенок скважины 8 через систему рычагов 3 передается на шток с ферритовым стержнем 2 и преобразуется в осевую деформацию. В зависимости от направления и степени деформации ферритовый стержень изменяет (увеличивает или уменьшает) индуктивность пассивного передающего контура 1. Изменение индуктивности передающего контура ведет к изменению индуктивности приемного активного контура гетеродина 4, что ведет к увеличению или уменьшению поглощения энергии и в свою очередь к увеличению или уменьшению коллекторного тока гетеродина генератора. Это изменение тока фиксируется индикатором усилителя тока 6 отклонением стрелка индикатора в положительную или отрицательную область шкалы. Так как изменение тока пропорциональны линейным деформациям стенок скважины, то приращение тока от нулевых показаний с учетом знака дают эти значения деформации, при этом знак указывает направление деформации по координатным осям.

Использование предлагаемого способа измерения деформаций стенок скважин и устройства позволяет по сравнению с существующим повышает информативность и достоверность измерений, т.к. дает возможность получить абсолютные значения смещений стенок скважин с высокой точностью.

Назначение: изобретение относится к горной промышленности и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Сущность изобретения: в скважине размещают пассивный передающий контур и индуктивно ему располагают активный приемный контур гетеродинного индикатора резонанса. Активный приемный контур гетеродина предварительно настраивают на среднюю точку линейного участка резонансной частотной кривой гетеродина в режиме квазирезонанса. По токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина эту точку принимают за условный нуль. Затем посредством измерительного узла, состоящего из последовательно соединенных гетеродинного индикатора резонанса, усилителя тока и регистратора, измеряют абсолютные изменения коллекторного тока гетеродина, усиливают их и регистрируют с учетом знака величину и направление смещения стенок скважины по смещению средней точки токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения деформаций стенок скважин, включающий преобразование линейных смещений стенок скважин в электрические колебания посредством размещенных в скважине пассивного передающего контура и индуктивно расположенного ему активного приемного контура гетеродина, определение величины и направления смещения стенок скважин, отличающийся тем, что предварительно настраивают активный приемный контур гетеродина на среднюю точку линейного участка резонансной кривой гетеродина в режиме квазирезонанса и принимают эту точку по токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина за условный нуль, затем измеряют абсолютные изменения коллекторного тока гетеродина, усиливают их и величину и направление смещения стенок скважины определяют с учетом знака по смещению средней точки токовой кривой изменения коллекторного тока гетеродина. 2. Устройство для измерения деформаций стенок скважин, содержащее преобразователь смещений в электрические колебания, включающий передающий пассивный контур, индуктивно связанный с ним приемный активный контур гетеродина и измерительный узел гетеродинного индикатора резонанса и регистратора, отличающийся тем, что измерительный узел снабжен усилителем тока, вход которого соединен с выходом гетеродинного индикатора резонанса, а выход подключен к входу регистратора.