Устройство для измерения прочности свойств горных пород Советский патент 1990 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к области применения измерительной техники в горном деле, з частности к функциональным преобразователям неэлектричес ких величин, и может быть использовано для измерения прочностных свойств горных пород при управлении буровзрыв ными работами.

Целью изобретения является повышение точности измерения прочностных свойств горных пород.

На фиг, 1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема блока распределе ния импульсов по интервалам

Устройство содержит датчик 1 осевого усилия, второй преобразователь 2 напряжение - частота следования импульсов, датчик 3 скорости вращения штанги, первый преобразователь 4 напряжение - частота следования импульсов, сумматор 5 импульсов, делитель

6частоты следования импульсов, блок

7распределения импульсов по интервалам, дешифратор 8, блок 9 индикации крепости, элемент 10 управления, формирователь 11 импульсов считывания, формирователь 12 импульса сброса, формирователь 13 счетных импульсов,

блок 14 пересчета и блок 15 индикации трещиноватости.

Входы преобразователей 2 и 4 напряжение - частота следования импульсов соединены соответственно с дат.чи- ками 1 и 3 осевого усилия и скорости вращения штанги, а выходы преобразователей 2 и 4 соединены с первым и вторым .входами сумматора 5 импульсов, который через делитель 6 частоты, блок / распределения импульсов по интервалам и дешифратор 8 подключен к блоку 9 индикации крепости. Вход элемента 10 управления и формирователя 13 счетных импульсов содеинен с датчиком 1 осевого усилия, причем выход элемента 10 управления через формирователи 11 и 12 импульсов считывания и сброса подключен к управляющим входам делителя б частоты, блока 7 распределения импульсов по интервалам и дешифратора 8 Вход разрешения дешифратора 8 соединен с выходом формирователя 11 импульсов считывания. Выход датчика 1 осевого усилия подключен к блоку 15 индикации трещиноватости через формирователь 13 счетных импульсов и блока 14 пересчета импульсов.

Блок 14 пересчета импульсов выпол нен в виде триггеров 16-20, дешифраторов (элементов И) 25-25 и элемента ИЛИ 26.

Устройство работает следующим образом

В основу работы устройства положена зависимость

10

,

(О

15

26

25

где f - коэффициент крепости пород

по Протодьякову; Р - осевое усилие; п - скорость вращения штанги; t - время бурения контролируемого

участка скважины; К - коэффициент, полученный в результате математических преобразований

Эта зависимость определяется из полученной экспериментально следующей функции бурения:

К,-/Г

V

(2)

30

35

Vd

где V - мгновенное значение скорости бурения скважины в момент измерения контролируемых параметров работы станка; диаметр долота; коэффициент пропорциональности. Зависимости (1) и (2) получены

в результате следующих преобразований:

d К1

tЈ#

1 V

W3

з)

Практика контроля и учета крепости пород при проектировании взрывов подтвердила нецелесообразность непрерывного ее определения по глубине скважины Более рациональным оказалось дискретное представление средних значений крепости пород на отдельных участках скважины длиною 1,

Пусть JPcp , ncp, Vcp - средние значения указанных параметров в процессе бурения заданного участка скважины, at- время его бурения, Причем

1

С учетом выражений 3 и 4 получают среднее значение крепости на этом же участке,

V,

(4)

f -к- Рср Пср

К2 . Ј1 ,и

т

51

Для применяемого диаметра долота и выбранной длины 1 получают

fcp KTJPcp nop-t.(5)

Выражение (5) представляет собой выражение (1), приведенное к виду, удобному для определения крепости пород в производственных условиях.

Если величину осевого усилия и чис ло оборотов преобразовать в соответствующие напряжения на измеряемом участке скважины (llo,), а их в частоты следования импульсов Np,Nn, то средние их значения можно представить в виде выражений

Nf. . N

Р - -- п

rcp t «ср t

(б)

С учетом зависимостей (5) и (6) средняя величина крепости пород на измеряемом участке скважины

TfNp-Nn.)

Поскольку сумму импульсов проще реализовать устройством по сравнению с их произведением и извлечением корня четвертой степени, средние значения крепости пород определяются устройством непосредственно по формуле

(8)

(Np4.Nh).

Математическое несоответствие значений ЈСр по формулам (7) и (8) учи™ тывается коэффициентом К0, вычисленным для всех заданных в устройство интервалов крепости из условия

,,).

Так как

VNP Nn Np+Nn,

то каждому интервалу крепостисоответствует конкретное значение Kfl. В устройстве это реализуется блоком 7 распределения импульсов, нелинейно рас- пределяющим импульсы по интервалам.

Напряжение, пропорциональное осевому усилию, прикладываемому к штанге, снимается с датчика 1 усилия и подается на вход преобразователя 2 напряжение - частота следования импульсов. Скорость вращения штанги бурового станка контролируется датчиком 3,(напряжение с которого поступает на вход преобразователя 4 напряжение частота. После преобразования входных напряжений импульсы с преобразователей 1 и 2 напряжение - частота поступают на вход сумматора 5 импульсов, в

jg j 5

20

25

30

35

40

.с

Q

5

46«

котором происходит их суммирование. Таким образом, за время бурения исследуемого участка скважины на выходе сумматора 5 получают число импульсов, пропорциональное среднему значению крепости пород на этом участке. С выхода сумматора 5 импульсы поступают на вход делителя 6 частоты следования импульсов, коэффициент деления которого равен 1024. Это значение обусловлено диапазоном изменения контролируемых параметров Р и п, величиной выходного напряжения датчиков i я 3, а также выходной характеристикой преобразователей 1 и 2 напряжение - частота После делителя 6 частоты импульсы подаются на вход блока 7 распределения импульсов по интервалам Всего задано пять интервалов, на которые разбивается общее количество импульсов, поступающее на вход блока 7. Горные породы, коэффициент крепости которых более восьми, относятся к скальным, разрабатываемым cw применением буровзрывных работ При реализуются минимальные разряды рыхления, при принимают максимально допустимый удельный расход взрывчатого вещества. Эффективное регулирование качеством дробления горной массы осуществляется при 12 . В этой связи указанный диапазон изменения коэффициента крепости принят для более точного измерения по пяти интервалам 12-14, 14-16, 16-18, 58-20, 20-22. Данное число интервалов измерения обуславливает число интервалов, на которое разбивается общее количество импульсов. Учитывая то, что зависимость коэффициента крепости пород от параметров провес са бурения носит нелинейный характер, количество импульсов в интервалах различно. Оно определяется с помощью блока 7 на основе приведенной зависимости (P,ntt). Так, например, количество импульсов во втором, третьем и четиертом интервалах равно трем, а в пятом пяти. Число импульсов на выходе блока 7 равно количеству заполненных интервалов. Поскольку в устройстве принято пять интервалов, то максимальное количество импульсов на выходе этого блока также равно пяти. Таким образом, первый импульс соответствует первому интервалу их распределения и, соответственно, первому интервалу значений коэф715

фициента крепости (Ј 12-14), второй импульс второму интервалу коэффициента крепости (f 14-16) и т„д. С выхода блока 7 эти импульсы поступают на вход дешифратора 8, где происходит их накапливание в течение времени бурения контролируемого участка скважины и дешифрация для связи с блоком 9 индикации крепости.

Напряжение, снимаемое с датчика 1 осевого усилия, поступает также на вход элемента 10 управления, Он вырабатывает управляющий импульс длительностью, равной времени бурения ис- следуемого участка скважины0 Передний фронт этого импульса соответствует началу, а задний - окончанию егр бурения. По заднему фронту управляющего импульса формирователем 11 вырабатывается импульс считывания, который подается на вход разрешения дешифратора 8. При поступлении этого импульса происходит считывание информации, занесенной в дешифратор в про- цессе бурения исследуемого участка скважины, а также вырабатывается сигнал для управления цифровыми индикаторами блока 9 индик.ации значений скорости. Импульс считывания поступа- ет также на вход формирователя 12 импульса сброса, который вырабатывает импульс очистки элементов памяти блоков 6, 7 и 8. При подаче этого импульса происходит подготовка устройства к проведению измерений крепости пород последующего участка скважиныо

Трещноватость буримых пород реги- стрируется следующим образом. Напряжение с датчика 1 усилия поступает на вход формирователя 13 счетных импульсов. При кратковременном спаде давления в гидросистеме станка, что соответствует моменту пересечения шарошечным долотом раскрытых трещин, формирователь 13 вырабатывает импуль соответствующий этому спаду, С вы хода формирователя 13 импульсы посту пают на блок 14 пересчета, который регистрирует их количество за данное время бурения и управляет цифровыми индикаторами блока 15 индикации трещиноватости. Количество импульсов,

зарегистрированных этим блоком,

8

0

,. 25 зд

0

35

Q 45 , -«

55

ветствует числу трещин на измеряемом участке скважины

Сброс показаний индикаторов и блока 9 индикации крепости блока 15 индикации трещиноватости производится вручную после считывания результатов измерений о

В устройстве предусмотрена возможность проведения измерений крепости и трещиноватости пород на участке скважины в 1 и 8 м. Последний соответствует длине одной штанги о

Формула изобретения

Устройство для измерения прочностных свойств горных пород, содержащее «делитель частоты, последовательно соединенные формирователь счетных импульсов, блок пересчета импульсов и блок индикации трещиноватости, отличающееся тем4, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено датчиками скорости вращения штанги и осевого усилия, первым и вторым преобразователями напряжение - частота, сумматором импульсов, блоком распределения импульсов по интервалам, формирователями импульсов считывания и сброса, дешифратором, элементом управления и блоком индикации крепости пород, причем выходы датчиков скорости вращения штанги и осевого усилия через первый и второй преобразователи напряжение - частота соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход которого подключен к входу делителя частоты, выход делителя частоты соединен с входом блока распределения импульсов по интервалам, выход которого подключен к входу дешифратора, выход дешифратора соединен с блоком индикации крепости, при этом вход формирователя счетных импульсов подключен к выходу датчика осевого усилия и входу элемента управления, выход которого соединен с входом формирователя импульсов считывания, выход которого под ключей к входу разрешения дешифратора и входу формирователя импульсов сброса, выход которого соединен с входами управления делителя частоты, блока распределения импульсов по интервалам и дешифратора.

Изобретение относится к бурению. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит делитель 6 частоты, формирователь 13 импульсов, блок 14 пересчета, блок 15 индикации трещиноватости. Для достижения цели устройство имеет датчики 1, 3 осевого усилия и скорости вращения штанги, преобразователи 2, 4 напряжение-частота, сумматор 5 импульсов, блок 7 распределения импульсов по интервалам, дешифратор 8, бок 9 индикации крепости, элемент 10 управления, формирователи 11 и 12. Устройство реализует экспериментально полученную зависимость коэффициента крепости пород от скорости вращения штанги и осевого усилия. Выходные сигналы датчиков 1, 3 преобразуются в число импульсов. Последовательности импульсов складываются в сумматоре 5. Выходной сигнал последнего делится на подобранный коэффициент. В блоке 7 определяется интервал коэффициента крепости пород на данном участке бурения. Каждый из пяти интервалов отображается в блоке 9. Формирователь 12 подготавливает устройство к следующему циклу измерения. Блок 15 регистрирует количество трещин на измеряемом участке. Применение устройства позволяет оперативно определить прочностные характеристики горных пород путем непосредственного их измерения. 2 ил.