Стенд для исследования параметров гидродинамического воздействия на горный массив Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, а именно, к моделированию горных процессов методом эквивалентных материалов, и может быть использовано для исследования сопротивления напряженного горного мае- сива внедрению в него жидкости в режиме гидроразрыва с учетом состояния и неоднородности свойств торных пород.

Известно устройство, включающее рабочую камеру, заключенную в корпус, раз- мещенный в ней деформируемый блок, моделирующий угольный пласт, инъектор для подачи жидкости в блок, устройство для нагружения блока, датчики давления и деформаций. Деформируемый блок изго- тавливают либо из образцов угля с сохранением природной морфологии трещин, либо из эквивалентного материала, например, пенопласта, с трещиной.

Недостатками указанного устройства являются невозможность задания бокового давления, отличающегося от вертикальной составляющей горного давления, что важно для установления характера пространственного раскрытия трещин, невозможность моделировать неоднородность горного давления по площади горного массива, зависящей от природных факторов (углы залегания, пережатие, выклинивание или расширение пласта) или от технологии веде- ния горных работ (влияние подработки или надработки и ближайших горных выработок), невозможность соблюдения подобия линейных размеров между реальным массивом и моделью при использовании в ней образцов угля, что не позволяет оценить радиус гидровоздействия и определить.параметры трещинообразования, а при использовании пенопласта - невозможность исследовать блочно-слоевую структуру гор- ных пород, а также различие физико-механических свойств и участков угольного массива.

Наиболее близким к изобретению является устройство, включающее форму для размещения образца, уплотнительную манжету, средства нагружения и разрыва образца, приспособления регулирования и контроля давления. Форма для размещения образца и уплотнительная манжета выпол- нены с равномерно расположенными по их боковой поверхности радиальными сквозными отверстиями и снабжены патрубками для сообщения каналов фильтрации образца горной породы со средствами регулиро- вания и контроля давления.

Недостатками данного устройства являются невозможность измерить и учесть соответствующие относительные деформации образца при его нагружении и внедрении в

него жидкости, а также установить места прорыва ее за контур образца и область заводнения, невозможность моделировать участки и слои горного массива, отличающиеся по механическим свойствам и аномалии напряжения в нем, а также учитывать его реакцию на изменяющиеся горнотехнические условия, большая техническая сложность изготовления устройства для моделирования больших давлений нагружения и гидроразрыва образца, а также невоз- можность достижения требуемого трехосного неравнокомпонентного нагружения образца и контроля релаксации напряжений в нем, невозможность создавать и контролировать высокие темпы нагнетания и прироста давления рабочей жидкости гидроразрыва.

Целью изобретения является повышение достоверности и снижение трудоемкости исследования.

Поставленная цель достигается тем, что стенд для исследования параметров гидродинамического воздействия на горный массив, включающий корпус, деформируемый блок, средства нагружения блока, датчики давления и инъектор для подачи жидкости в блок, снабжен коробом с двумя подвижными боковинами, датчиками нагрузки и перемещений и пластинами, имеющими в поперечном сечении профиля, соответствующие эпюры напряжений в горном массиве, при этом деформируемый блок размещен в коробе, пластины установлены на противоположных сторонах деформируемого блока, а датчики нагрузки и перемещений установлены между подвижными боковинами короба и корпусом.

На фиг.1 изображен общий вид стенда; на фиг.2 - вид стенда в плане с компоновкой датчиков давления, нагрузки и перемещений; на фиг.З - гидравлическая и кинематическая схемы стенда; на фиг.4 - эпюра аномалий горного давления; на фиг.5 - пластина, моделирующая аномалии горного давления.

Стенд состоит из корпуса 1 (см.фиг. 1,2,3), деформируемого блока 2, нагружателя блока 3, основания 4, инъектора 5, датчиков давления 6, нагрузки и перемещений 7, нагнетательного шланга 8, насоса 9, всасывающего шланга 10, мерной емкости 11.

Корпус 1 (фиг. 1,2,3) представлен прямоугольной рамой усиленной конструкции, к которой прикреплены плита-днище 12 и неподвижные боковины 13. Подвижные боковины 14 уложены на плиту-днище 12 у двух взаимно перпендикулярных боковых граней блока 2 и с возможностью взаимодействия корпусом 1 через датчики нагрузки и перемещений 7, а снизу и сверху блока 2 помещены пластины 15 (фиг.4,5) и установлена плита-крышка 16. Инъектор 5 с перфорированным наконечником 17 пропущен через эллипсообразное отверстие в неподвижной боковине 13 корпуса 1 и размещен в блоке 2. Последний от боковин 12,14 и плиты-днища 12, а также от плиты-крышки 16, отделен экраном 18. Структура и характеристики деформируемого блока 2, моделирующего гор- ный массив, определена структурой и физико-механическими свойствами массива. Рабочая жидкость 19 залита в мерную емкость 11. В зависимости от вида и расположения горной выработки 20 и эпюры аномалий горного давления 21 (фиг.4) заданы профиль и размеры пластины 15.

Стенд для исследования параметров гидродинамического воздействия на горный массив собирается и работает следующим образом. В корпус 1, выполненный с двумя подвижными и двумя неподвижными боковинами и поставленный на основание 4 (фиг. 1,2,3), на плиту-днище 12 между неподвижными 13 и подвижными 14 боковинами помещают деформируемый блок 2, заключенный в экран 18, например, медную фольгу, и сверху перекрывают плитой-крышкой 16. В процессе сборки в центральной части деформируемого блока 2 помещают инъектор 5 с перфорированным наконечником 17, а пластины 15 устанавливают между экраном 18 и плитой-днищем 12, а также экраном и плитой-крышкой 16. Датчики нагрузки и перемещений 7, например, образцовые динамометры, устанавливают между корпусом 1 и подвижными боковинами 14. Через плиту-крышку 16 нагружателем блока 3, представляющим собой механический, гидравлический или пневматический пресс с датчиком вертикальной нагрузки, деформируемый блок 2 сжимают вертикальной нагрузкой, зависящей от величины моделируемого вертикального горного давления. По боковым граням деформируемый блок 2 прижимается к боковинами 13 и 14, а посредством подвижных боковин 14 и датчиков нагрузки и перемещений 7 контролируют боковую нагрузку. При этом с помощью пластины 15 в деформируемом блоке 2 создают аномалии напряжений. К инъектору 5, последовательно, подсоединяют датчик давления 6, нагнетательный шланг 8, насос 9, всасывающий шланг 10, свободный конец которого опускают в мерную емкость 11, наполненную рабочей жидкостью 19.

Собранную гидравлическую схему (фиг.З) освобождают от воздуха путем вытеснения его через незатянутое резьбовое

соединение инъектора 5 с датчиком давления 6 .постепенным нагнетанием рабочей жидкости 19 малыми дозами насосом 9 в полость перфорированного наконечника 17

до появления течи рабочей жидкости 19 из резьбы датчика давления 6. После этого резьбовое соединение икъектора 5 с датчиком давления 6 плотно затягивают. По датчикам давления 6, нагрузки и перемещений

0 7 снимают показания. При гидродинамическом воздействии на деформирующий блок 2 рабочую жидкость 19 из мерной емкости 11 через всасывающий 10 и нагнетательный 8 шланги насосом 9 нагнетают, как статиче5 ски, так и импульсно, в инъектор 5 с перфорированным наконечником 17 и в деформируемый блок 2 под давлением, измеряемым датчиком давления 6, например, типа Сапфир-22ДИ, с последующей реги0 страцией выходного сигнала датчика самописцем или ЭВМ. Для контроля расхода рабочей жидкости 19, в моменты времени, соответствующие характерным точкам на кривой давления нагнетания, снимают по5 казания уровня рабочий жидкости 19 по шкале мерной емкости 11. При давлении нагнетаемой жидкости 19, близкому давлению на деформируемый блок 2, происходит гидроразрыв его с образованием сети ис0 кусственных трещин с истечением жидкости 19 за пределы деформируемого блока 2 с фиксированием течек прорыва на экране и последующим определением области заводнения.

5 Процесс нагнетания рабочей жидкости 19 можно продолжать с целью изучения сопротивления деформируемого блока 2, с определенными свойствами и структурой, внедрению жидкости, а можно прекратить.

0 Тогда дальнейшее увеличение пространственной сети раскрываемых трещин будет происходить при постепенном падении давления рабочей жидкости 19 с фиксированием границ заводнения. В процессе

5 нагружения деформируемого блока 2 и нагнетания рабочей жидкости 19 по шкалам датчиков нагрузки и перемещений 7 (фиг.З) снимают показания, а при импульсном нагнетании жидкости положение стрелок дат0 чиков фиксируют непрерывно, например, скоростной киносъемкой, с последующей расшифровкой. Это позволяет определить изменение линейных размеров и объема деформируемого блока 2 за любой период вре5 мени.

Стенд разбирают в обратном порядке. В начале разбирают гидравлическую схему. При этом, рабочую жидкость 19 полностью удаляют из гидравлической схемы (фиг.З), а полость перфорированного наконечника 17

сушат гмдроскопичёскйм материалом, например, сухой чистой хлопчатобумажной тканью. Потом снимают вертикальную и боковую нагрузки с деформируемого блока 2, производят разборку с визуальным изучением его и экрана 18, измеряют параметры сети искусственных трещин с одновременным фотографированием частей блока широкоугольным зеркальным фотоаппаратом на хроматическую или монохроматическую пленку для целей дальнейшего изучения и сравнения.

Результаты сравнивают с кривой давления рабочей жидкости 19 и ее расходом. С учетом результатов предыдущего опыта цикл повторяют.

Результаты наблюдений и измерений позволяют исследователь и уточнить параметры гидродинамического воздействия на горный массив.

Конструкция стенда позволяет исследовать процесс создания пространственной сети искусственных трещин при гидроразрыве, получать объемную и линейную величины изменения размеров и формы деформируемого блока, получать количественные характеристики давления и расхода рабочей жидкости различной вязкости при определенной продолжительности воздействия, моделировать различные аномалии напряжения горного массива, исследовать реакцию деформируемого блока,

имеющего аномалии напряжения, на внедрение в него рабочей жидкости, моделировать большой спектр соотношений вертикального и бокового горного давления.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Стенд исследования параметров гидродинамического воздействия на горный массив, включающий корпус, деформируемый блок, средства нагружения блока, датчики

давления и инъектор для подачи жидкости в блок, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и снижения трудоемкости исследования, стенд снабжен коробом с двумя подвижными боковинами,

датчиками нагрузки и перемещений и пла- Стинами, имеющими в поперечном сечении профили, соответствующие эпюрам напряжений в горном массиве, при этом деформируемый блок размещен в коробе, пластины

установлены на противоположных сторонах деформируемого блока, а датчики нагрузки и перемещений установлены между подвижными боковинами короба и корпусом.

ИГ .18

Использование: для моделирования гидродинамических процессов в массиве методом эквивалентных материалов. Сущность изобретения: корпус 1 выполнен с двумя подвижными Б(14) и двумя неподвижными 5(13) боковинами и поставлен на плиту-днище Д(12). На Д(12) между Б(13) и Б(14) помещают деформируемый блок БЛ (2). БЛ(2) заключен в экран Э(18) и перекрыт плитой-крышкой К(16). В процессе сборки в центральной части БЛ (2) помещают инъек- тор (5) с перфорированным наконечником

(pi/г. 2