Прибор для нивелирования наклонных замораживающих скважин Советский патент 1947 года по МПК E21B47/22 G01B5/24 

Предлагаемый прибор предназначен для нивеллирования наклонных замораживающих скважин, т. е. для измерения зенитальных отклонений их от проекта и определения абсолютных отметок замораживающей колонки на разных глубинах, для возможности суждения по этим отметкам о заглублении скважины в водоупорный пласт.

Изобретение заключается в том, что прибор выполнен в виде опускаемого в залитую водой замораживающую колонку открытого снизу сосуда, содержащего рамку с фотопленкой и заполненного воздухом. По отметкам на фотопленке уровня воды в сосуде и определяют отметки колонки.

На фиг. 1 изображен схематический вид предлагаемого прибора в положении, когда он находится в замораживающей колонке, на фиг. 2 - изображен в увеличенном масштабе вид конца прибора с заложенной в него фотопленкой.

В залитую до верху водой замораживающую колонку опускается на тросике 2 пустотелый, сверху герметически закрытый и открытый снизу, цилиндрический сосуд 3, наполненный воздухом под атмосферным давлением.

Объем внутренней полости сосуда измеряется в лабораторных условиях с любой практически необходимой точностью; таким же путем определяется средняя площадь Scp поперечного сечения сосуда.

Объем воздуха в сосуде в положении I-I (см. фиг. 1) является начальным объемом.

По мере опускания сосуда в колонку первоначальный объем воздуха VQ уменьшается вследствие увеличения давления подпирающей снизу воды.

При незначительных глубинах скважин (максимум 80 м), применяющихся при замораживании наклонных выработок, изменение объема воздуха происходит по закону Бойля-Мариотта. На нужных глубинах при горизонтах П-П, П1-П1... воды в сосуде устанавливаются соответствующие объемы воздуха - v, v, v в сосуде.

23

Измерение этих объемов можно производить непосредственно в сосуде путем фиксирования горизонтов воды на определенных глубинах на какойто чувствительной поверхности (на стекле - плавиковой кислотой, на фотопленке - слабым раствором проявителя). Но в целях искусственного увеличения отсчитываемых величин и наглядности измерений, необходимой для опытного образца прибора, изготовляется специальная головка, одеваемая наверх колонки.

К обыкновенной «заглушке (крышке с резиновой прокладкой, притягиваемой к верху колонки откидными болтами), приварена железная измерительная трубка 5 с диаметром меньшим диаметра снаряда; по всей длине трубки 5 сделан вырез, в который вставлена стеклянная шкала 6. При измерении шкала обрашена вверх, как показано на фиг. 1. Нулевое деление шкалы находится на верхнем конце ее. Абсолютная отметка - нуль - определяется обычным нивеллированием. Внутренние поверхности снаряда и трубки делаются несмачиваемыми водой.

У сосуда 3 отвертывается ниншяя муфта 6, внутри его вставляется жестяная рамка 7 с полоской 8 фотопленки, на которой четко, без расплывов может быть зафиксирован уровень воды в приборе. Муфта 6 снова привинчивается.

Прибор опускается в скважину на отметку Н, в измерительную трубку вода доливается до нуля (в силу сокращения объема воздуха в сосуде под влиянием понижения температуры уровень воды в измерительной трубке в течение 1-2 минуты будет понижаться).

Когда уровень воды установится, прибор поднимается наверх, вынимается рамка 7, и снаряд снова опускается в скважину на ту же глубину; вода опять доливается в измерительную трубку до нуля.

Прибор опускается на следуюшую точку с отметкой Яа, полученной также заранее инструментальным путем; снимается отсчет по шкале б; при этом замере обязательно отмечается плавное понижение уровня во24

ды за счет понижения температуры воздуха в приборе; величина эта вносится в виде поправки на температуру в отсчет по шкале 6 со знаком минус.

Прибор опускается в новую точку с искомой отметкой Н, и также снимается отсчет по шкале 6 и вводится поправка на температуру. Прибор опускается затем на следующую точку с отметкой если эта точка находится от поверхности земли около 10 м, то изменения температуры воды в колонке будут ничтожными, что будет заметно по постоянству уровня воды в трубке при снятии отсчета по шкале б. Во все отсчеты 1, 1, /g по шкале 6 вносится поправка на вытеснение воды тросом.

На следующих точках поправок на температуру вводить не придется, так как температура воды постоянна.

Остановки прибора производятся во всех интересующих точках колонки. Если же необходима только отметка низа колонки, то можно, сделав две исходных остановки (Н и , опускать прибор сразу вниз.

При опускании прибора замеряется рулеткой длина троса, т. е. глубина скважины от нуля по шкале 6 до низа прибора.

По мере опускания прибора первоначальный объем воздуха в нем у изменяется под влиянием изменения давления подпираюшей снизу воды. При незначительных глубинах скважин (до 70-80 м), применяющихся при замораживании наклонных выработок, изменение объема воздуха под влиянием давления происходит по закону Бойля-Мариотта:

pnVn,

где - УО - первоначальный объем,

РО -начальное (атмосферное) давление воздуха в сосуде, Vn - новый объем воздуха в сосуде, опущенном на глубину с отметкой Нп, р„ -новое давление воздуха в

сосуде.

Принимая за основу дальнейших выкладок эту формулу, можно сделать следующие допущения:

1. Температура Т воздуха в сосуде во время всего измерения постоянна,.

начиная с глубины 70 м от поверхности земли. Для этой глубины вводятся поправки, легко измеряемые наверху, как описано выше.

2. Испарение воды, растворимость воздуха в воде на контакте поверхностей и конденсация паров воды при данных условиях не имеют практического значения и из дальнейших выкладок исключаются.

Из приведенной формулы следует:

п

Рп--.

РП слагается из первоначального атмосферного давления р и давления столба воды Л у, где Л - высота столба воды на данной глубине, у-удельный вес этой воды; т. е.

pn

подставляя это значение рп в основную формулу, получим:

,Ь )

Л„ .

Следовательно, высота столба воды в первой точке стояния снаряда

1,Ъ P(VO - VI)

fi7

Чтобы не иметь дело с постоянно меняющимися и трудно поддающимися учету величинами ра и у, берем отношение:

()i

(УО -)„

откуда

/,ь(-) .ь

п /,. .1 1 1,

(о - i) п

где /I -HO-HI + KI (см. фиг. 1),

1 Osp (Ясп );

где Zj - замер от низа прибора до уровня воды в приборе при остановке в точке УО - может быть определено, исходя из геометрического объема снаряда и поправки на разность температур воздуха перед опусканием воды 4 в колонке; но так как измерения температур представляют значительные трудности, то Vo получают путем обратных вычислений. Для этой цели должна быть определена инструментальным путем отметка второй точки колонки //2.

При /г| Яо -Я2 + Ка имеем:

fX lyif-o,h

- определяется из отчета по шкале 6, t;2 i cpScp-(средняя площадь поперечного сечения измерительной трубки, установленная лабораторным путем).

Производя перечисленные выше предварительные вычисления для данной скважины, вычисляются h, /г и т. д., причем

УЗ У - , У4 i - .

Зная высоты столбов воды, вычисляют отметки точек скважины:

Яз Яо-ЛЬ,-/25Ш|3-Кз,

Я4-Яо-№,-/з5Ш)3-К4,

где j3 - угол наклона шкалы б.

Точность определения отметок с помощью предлагаемого прибора при глубине до 80 JM и /3 30° теоретически : 20 см.

Предмет изобретения

Прибор для нивеллирования наклонных замораживающих скважин, отличающийся тем, что он выполнен в виде опускаемого в залитую водой замораживающую колонку открытого снизу сосуда, содержащего рамку с фотопленкой и заполненного воздухом, с целью определения отметок скважины по отметкам на фотопленке уровня воды в сосуде.

Фиг. 2