Зонд для определения упругих характеристик и напряжений в горных породах Советский патент 1982 года по МПК E21B47/00 E21C39/00 G01N3/10 

(54) ЗОНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК И НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ

1

Изобретение относится к горному долу и может быть использовано для определения деформационны.х свойств и напряжении конструктивных элементов систем разработки и гидротехнических сооружений, преимущественно в нородах средней крепости.

Известен зонд для испытания грунта, включаюн1ИЙ эластичную оболочку, установленную на стержень и имеющую на концах приспособления из спиц в форме зонтиков 1 .

Недостатком этого зонда является низкая точность измерений.

Известен также зонД для определения упругих характеристик и напряжений в горных породах, включающий стержень с эластичной оболочкой, имеющей проточки и установленной с воз.можностью образования полости между ними, которая сообщена с каналом в стержне, обой.мы для гер.метизации концов эластичной оболочки, гибкие оболочки, смонтированные в зазоре .У1ежду обоймами и эластичной оболочкой, и кольца, расположенные в проточках эластичной оболочки 2.

Недостатком зонда является то что при каждом определении необ.ходимо сначала опустить зонд на заданную (часто большую, до 30-50 м) глубину для определения диаметра скважины в заданной точке, определить диаметр, извлечь зонд из скважины, установить обоймы в рабочее положение и снова опустить на заданную глубину для собственно определения.

10 Цель изобретения - сокрагдение времени процесса определения упругих характеристик и напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что свободный от обойм конец гибкой оболочки выполнен в виде лепестков, концы которых

15 охватывают кольца, которые выполнены из упругого материала, а длина лепестков равна 0,2-0,4 диаметра зонда .

Па фиг. 1 изображено устройство для определения деформаций стенок скважин 20 и напряжений в горных породах, вид сбоку совмещенный с продольным разрезом; на фиг. 2 - схема работы эластичной оболочки в скважинах заниженного диаметра; на фиг. 3 - то же, в скважинах номинального

диаметра; на фиг. 4 - то же, в скважинах завышенного диаметра.

Зонд для определения упругих характеристик состоит из стержня I, эластичной оболочки 2, загерметизированной с концов обоймами 3, запресованными на стержне 1 гибких оболочек 4, в транспортном положении входящих, в проточки эластичной оболочки 2, свободные лепестки которых выполнены в виде лепестков, концы которых охватывают упругое кольцо 5. При подаче давления под эластичную оболочку 2 свободные концы гибких оболочек 4 имеют возможность разжиматься до соприкосновения со стенками скважины и, тем самым, запирать эластичную оболочку, не давая ей возможность вытечь в зазор между обоймами 3 и стенками скважины. Давление к зонду подают по т 1 убопроводу, присоединяемому к одному из концов стержня 1, а другой конец стержня герметизируют, например накидной гайкой (не показана).

Важным преимуществом конструкций является возможность применения ее в скважинах с неровными стенками, так как каждый лепесток гибкой оболочки имеет относительную самостоятельность, а упругое кольцо 5 препятствует вытеканию эластичной оболочки 2 в зазор между ленестка.ми н чрез.мерному отгибанию лепестков в процессе работы и способствует более полному возвращению лепестков в транспортное по.южение. Упругость кольца значительно превышает упругость лепестка с тем, чтобы .leiiecTOK работая лищь как запирающий элемент, а возвращение в транспортное положение происходит практически полнос гью за счет ynpyioro кольца, что способствует долговечности и надежности эксплуатации конструкции. С этой целью гибкая оболочка 4 выполняется быстросъем1 ой и из стали.

Работа зонда осуществляется следующим образом.

Зонд опускается на заданную глубину и распирается в скважине начальным дав.чснием (6 -Шатм). Нерастяжимые тампоны образующиеся по конца.м эластичной обо2, четко локализуют рабочий отрезок лочки и не позволяют эластичной оболочзонда

ко 2 «вытечь на всем дианазоне рабочего ;1а|.1ения.

Верхняя граница рабочего давления имитируется герметизацией эластичной оболочки в обойме 3 1200-1500 кг/см по опытным данным, а нижняя - давлением образования та.мпонов и плотного прижима зонда к стенкам скважины.

Длина лепестков выбрана по опытным данным за.мера реальных диаметров скважин. В более крепких породах скважина |;|збивается меньще и можно применять 6о,лсе короткие лепестки гибкой оболочки 4, а в мягких (осадочные породы) - более длинные - до 0,4 диаметра оболочки.

Если зонд используют для измерения упругости пород, то давление в нем поднимают ступенями 0,1-0,2 Р)(. где «0.8-6расп. «зрасп- ориентировочный предел прочности пород на растяжение. Давление на каждой ступени поддерживается постоянным до условной стабилизации путем подкачивания рабочей жидкости (глицерин, водно-масляная эмульсия, веретенное масло и др), в полость между стержнем 1 и оболочкой 2.. Регистрируется количество закаченной жидкости на данной ступени и давление поднимается на новую ступень. Сброс давления ведут обычно ступенями в два раза больщими, чем подъем. По ветви подъема давления рассчитывается модуль деформации породы, а по обратной - .модуль упругости.

Изучение напряженного состояния можно вести на больщих глубинах следующим образом; в свежепробуренной скважине закрепляют зонд небольщим (20-30 кг/см) давлением и по мере сжатия стенок скважипы (в течение 2-3 сут) постепенно выпускают жидкость с помощью дозирующего устройства до условной стабилизации. Стабилизация считается законченной, если давление на измерительном приборе при загерметизированной системе растет медленнее 1% за 2 ч.

После этого закачивают в систему количество жидкости, выпущенное за время стабилизации. То давление, которое установится на измерительном приборе, будет совпадать со средним горным давлением в окрестности скважины.

При.менение изобретения позволит уве:1ичить глубину и точность подобных из.мерений и распространить их на исследование упругих пород, таких, как песчанки, базальты, граниты и т. п. часто залегающих в основаниях крупных сооружений.

Формула изобретения

1. Зонд для определения упругих характеристик и напряжений в горных породах, включающий стержень с эластичной оболочкой, имеющей проточки и установленной с возможностью образования полости между ними, которая сообщена с каналом в стержне, обоймы для герметизации концов эластичной оболочки, гибкие оболочки, смонтированные в зазоре между обоймами и эластичной оболочкой, и кольца, расположенные в проточках эластичной оболочки, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени процесса определения упругих характеристик и напряжений, свободный

от обойм конец гибкой оболочки выполнен в виде лепестков, концы которых охватывают кольца, выполненные из упругого материала.

2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что длина лепестков равна 0,2-0,4 диаметра зонда.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3442123, кл. Е 21 В 47/00, опублик. 1969.

2.Авторское свидетельство СССР явке № 2878615/22-03, кл. Е 21 С 1980.

Фиг.

Фиг. 5

52