Способ изучения деформационных и прочностных свойств скальных массивов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к изыскательным работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений, связанных с излучением деформируемости и прочности массивов скальных пород и полускальных пород по всей зоне сооружений с помощью геолого-разведочных сквая н.

Известны стандартные испытания керна, отобранного с мест проведения опытов. Эти испытания, определяющие петрографический состав породы, ее проницаемость, пористость и крепость, не позволяет судить о деформируемости и прочности пассивов, вмещающих эти породы.

Известен способ изучения .деформационных и прочностных свойств скальных массивов, включающий разрушение неровностей стенок сквакины, их последующее нагружение посредством многокомпонентного прессиометра, измерение глубины внедрения пуансонов и давления в прессиометре, по которым определяют упругие и прочностные свойства массива.

Такой способ является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Способ осуществляют устройством дли определения деформационных свойств массивов, включающим корпус, ус

4 00

К

ю ю

тановленные в нем пуансоны и эластичные камеры, размещенные между пуан- сонами и ксфпусом.

Известный способ не позволяет оп- ределить сопротивление пород в массиве резанию, а также увеличить поверхность контакта пуансонов с породой при возможных несовпадениях диаметров скважины и контактных поверхностей пуансонов.

Целью изобретения является повышение информативности способа и повышение достоверности измерений за счет увеличения поверхности контакта пу- ансонов с породой.

Это достигается техническим решением, представляющим собой новый способ изучения деформационных и прочностных свойств скальных массивов включающий разрушение неровностей стенок скважины, их последующее Hai- ружение посредством многокомпонентного прессиометра, измерение глубины внедрения пуансонов и давления в прессиометре, по которым определяют упругие и прочностные свойства массивов, осуществление которого обусловливается применением устройства определенной новой конструкции.

Изобретенный способ отличается от известного способа тем,что на контактной поверхности прессиометра устанавливают режущие элементы, разрушение неровностей стенок скважины осуществляют путем вращения прессиометра измеряют при этом глубину и усилие резания и дополнительно определяют сопротивление породы резанию

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции дл определения деформационных свойств скальных массивов, включающим корпус установленные в нем пуансоны и эластичные камеры, размещенные между пу- ансонами и корпусом.

Отличие устройства, позволяют осуществить новый способ, состоит в том что оно снабжено режущими элементами установленными на менее, чем на одной паре пуансонов, а также в том, что радиус контактной поверхности остальных пуансонов равен радиусу, на котсроь лежат вершины режущих элементов.

На фиг.1 представлено предлагав- мое устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (устройство с двума взаимонезависимыми парами пуансонов,

л

g

п 5 0

е

55

5

10

0

одна из которых оснащена режущими элементами); на фиг.З - разрез А-А на фиг.1 (устройство с двумя взаи- монезав симыми парами пуансонов в расширенной скважине в момент прес- сиометрии).

Устройство 1 состоит из корпуса 2 с пазами 3, в которых установлены пуансоны k-J с возможностью радиального перемещения, а также эластичные камеры 8-11, размещенные между пуансонами и корпусом и соединенные напорными трубопроводами 12 с командно-измерительным щитом 13. Командно- измерительный щит включает насос , мерную емкость 15, пресс-объемометр 16, вентили 17, манометры образцовые 18.

Пуансоны 4 и 6 предназначены для внедрения в стенки скважины при неподвижном прессиометре. Диаметр наружной поверхности этих пуансонов выполняется большим, чем наружный диаметр корпуса на величину, зависящую от свойств пород в массиве. Чем больше прочность скальных или полускальных пород, слагающих исследуемый массив, и выше устойчивость стенок скважины, тем меньшее различие задается между указанными размерами. Прессиометр комплектуется набором пуансонов с различными значениями этих диаметров (соответственно высоты), выполненных таким образом, чтобы в собранном устройстве пуансоны не выходили зе габариты корпуса.

Пуансоны 5 и 7 оснащены режущими элементами с Эти элементы могут быть представлены твердосплавными зубками 19 ,20, имеющими цилиндрический хвостовик для крепления в гнездах пуансона и породоразрушающую головку с полусферической или иной формой. Элементы по высоте пуансонов устанавливаются в виде рядов так, чтобы при совмещении проекций элементов на образующую цилиндрической поверхности пуансонов между элементами не оставалось зазоров, образующих на забое непоражаемые участки - воротники. Оси зубков, соответственно гнезд под них направлены к центру кривизны пуансонов, а вершины режущих элементов расположены на радиусе, равном радиусу контактной поверхности ос таяьных пуансонов.

Режущие элементы могут выполняться виде зубьев, выфрезерованных

из тела пуансона и -армированных для повышения износостсйкости наплавкой твердым сплавом.

Эластичные камеры служат для передачи нагрузки на пуансоны с целью вдавливания их в стенки скважины.С этой целью в гидросистему с помощью насоса 1 закаливается жидкость. Давление в трубопроводе определяется по показаниям манометров 18, изменение объема закаченной жидкости - по ее уровню в мерной емкости 15, а постоянство давления в системе обеспечивается пресс- тбъемометром 16.

Способ изучения деформационных и прочностных свойств скальных массивов осуществляется следующим образом.

Устройство, собранное с учетом предварительных сведений о свойствах породы спускается в скважину на заданную глубину. Фиксируется первоначальный объек. жидкости в мерной емкости. С помощью насоса закачивается жидкость в эластичные камеры, расширение которых обеспечивает перемеще- ние пуансонов до контакта со стенкой скважины.

Давление в камерах Зч дается до значения, обеспечивающего плотный контакт пуансонов-штампов с породой за счет смятия микронеровностей (начальное давление 2-3 КПа). По изменению объема жидкости в мерной емкости определяется диаметр скважины. Разность между наружным диметром установленных пуансонов и замеренным диаметром скважины составляет величину, на которую должна быть расширена скважина для получения точной информации о прочностных свойствах массива. В зависимости от этой величины определяется число проходов резания .которые должны (.быть осуществлены с помощью пуансонов с режущими элементами.Подается давление в эластичные камеры ,сообщенные с указанными пуансонами.Вращением прессио- метра при зафиксированном постоянном давлении в камерах обеспечивается реза ние - расширение диаметра скважины.Глубина резания за один проход и частота вращения прессиометра выбираются в зависимости от конкретных условий. Обработка данных с постановкой их в формулы, известные из теории резания материалов, позволяет определить значения допустимого сопротивления породы резанию. Диаметр расширенной скважины дополнительно контролируется

0

0

при остановке вращения с помощью пуансонов.

Исследования прочностных свойств массива осуществляются при неподвиж-- ном устройстве. По завершению исследований замеры повторяются в аналогичной пЪследовательности на другой глубине, задаваемой программой работ.

Использование описанного способа позволяет увеличить точность информации и количество параметров, определяющих состояние породы, благодаря увеличению поверхности контакта пуансонов с породой за счет расширения с помощью пуансонов с режущими элементами диаметра скважины до значения, равного диаметру цилиндрической поверхности этих пуансонов, а также определения сопротивления породы резанию.

Формула изобретения

5

0

5

1.Способ изучения деформационных и прочностных свойств скальных масси BOB, включающий разрушение неровностей стенок скважины, их последующее нагружение посредством многокомпонентного прессиометра, измерение глубины внедрения пуансонов и давления в . прессиометре, по которым определяют упругие и прочностные свойства массива, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения информативности способа, на контактной поверхности прессиометра устанавливают режущие элементы, разрушение неровностей сте-, нок скважины осуществляют путем вращения прессиометра, измеряют при этом

0 глубину и усилие резания и дополнительно определяют сопротивление породы резанию.

2.Устройство для .изучения дефор- 5 мационных и прочностных свойств скальных массивов, включающее корпус, установленные в нем пуансоны и эластичные камеры, размещенные между пуансо- нами и корпусом, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерений за счет увеличения поверхности контакта пуансонов с породой, оно снабжено режущими элементами, установленными не менее чем на одной паре пуансонов, а контактные поверхности остальных пуансонов выполнены с радиусом кривизны, равным радиусу дуги, на которой лежат вершины режущих элементов.

0

5

Г8Лф i i/

/xЈ

$ .

Использование: изыскательские работы, определение свойств горных „ пород в геологоразведочных скважинах. Сущность изобретения: стенки скважины нагружают с помощью многокомпонентного прессиометра. Одну из пар пуансонов прессиометра снабжают режущими элементами. При достижении контакта пуансонов со стенками скважины вращают прессиометр и разрушают неровности стенок. Измеряют глубину и усилие резания. Определяют сопротивление породы резанию,, Дальнейшее нагружение стенок скважины проводят с помощью других пар пуансонов. Эти пуансоны выполнены с радиусом кривизны, равным радиусу дуги, на которой лежат вершины режущих элементов. При нагружении измеряют глубину внедрения пуансонов и давление в гидросистеме. По этим данным определяют деформационные и прочностные свойства пород массива. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. (Л

Фиг, 2

Ь

8

J

19