Способ определения объема подземной полости Советский патент 1982 года по МПК G01F17/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ПОДЗЕМНОЙ ПОЛОСТИ

1

Изобретение относится к измерению объема преимущественно при подземной разработке месторождений камерной системы. Оно может быть использовано при сооружении искусственных подземных хранилищ нефти и газа, а также в спалеологии для 5 измерения объемов больших подземных полостей (пещер) естественного происхождения.

Разработка месторождений камерными системами связана с образованием пустот Q большого размера, которые либо закладываются, либо погашаются. Как в том, так и в другом случаях знание объема камер является актуальной задачей и может быть использовано при оценке потерь полезного ископаемого в камерах. При создании ис- 15 кусственных подземных хранилищ нефти ,(в солях, например, или в известняке) также важно знание объема образованной полости. Познавательное значение имеет знание объема полости при изучении подземных карс- ,Q товых пещер, имеющих обычно причудливую форму из-за сталактитов и сталагмитов.

Известны способы съемки камер с помощью ультразвуковых (акустических) локаторов, дальномеров двойного изображения, фотограмметрических приборов 1.

При съемке камеры с помощью локатора измеряют дальность и азимут при вращении его около вертикальной оси на 360°.

Локатор доставляется в полость через вскрывающую (соединяющуюся с полостью) выработку, горизонтальную или вертикальную. При доставке локатора в полость из горизонтальной выработки он вводится в нее на консоли (длина 4-5 м, масса 40- 70 кг), при доставке локатора через вертикальную выработку он вводится в полость с помощью специального устройства. Съемка полости осуществляется способом горизо 1тальных или вертикальных параллельных сечений. Объем полости вычисляется известными методами. Съемка камер дальномером двойного изображения или фотограмметрическим прибором также сводится к измерению дальностей и азимутов, позволяющих сначала получить координаты отдельных точек стенок полости, а затем перейти к определению сечений и вычислению объема.

Указанные способы съемки полости и последующее определение их объема очень трудоемки и связаны с применением в подземных условиях сложного дорогостоящего оборудования. При съемке полости они требуют доступа в нее в виде горной выработки большого сечения - больше габаритных размеров локатора, а при съемке дальномером двойного изображения или фототеодолитом - доступа в полость оператора (съемщика) с аппаратурой. Съемка с их помощью полости сложной конфигурации, а тем более причудливой, позволяет оценить ее объем сугубо ориентировочно либо вообще не позволяет. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения объема емкостей, в котором создают избыточное давление в полости, перекрывают канал на вхо-де, измеряют избыточное давление Р в зависимости от времени t, строят АР f(t), подают газ в полость; при различных режимах утечек измеряют избыточное давление ЛР в полости, расход газа G и изменение температуры Т; строят О {(ЛР); Т f(t), рассматривают процесс изменения избыточного давления в полости за время от ti до t2; определяют вес (t)(il газа в объеме утечки путем построения G f(t) с использованием G f(AP); АР f(t) и T f(t), вычисляют объем полости 2. Однако указанный способ характеризуется высокой трудоемкостью процесса измерения в подземных .условиях, не позволяющей применить его при оценке объема подземной полости, образовавшейся в результате очистных или строительных работ, или естественной пещеры. Цель изобретения - уменьщение трудоемкости процесса измерения в подземных условиях. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему измерение давления и перекрытие входа, в полость вводят газ-индикатор заданного объема и давления, герметизируют ампулу, доставляют ее в измеряемую полость, вскрывают, отбирают пробу смеси газов, измеряют атмосферное давление вне полости, определяют концентрацию газа - индикатора в пробе и по полученным данным определяют объем расчетным путем. На фиг. 1, 2, 4, 5 и 6 показаны фазы реализации первого варианта при неглубоком ( м) залегании полости; на фиг. 7 - второй вариант при глубоком ( м) залегании полости; на фиг. 3 и 8 - блок-схемы устройства для реализации способа по первому и второму варианту соответственно. Для проведения работ по предлагаемому способу в случае, когда м операции осуществляются в следующем порядке. В ампулу 1 (фиг. 1) через патрубок 2 вводят газ-индикатор 3, например, гелий (Не), известного объема дм при известном давлении Рд 1-5 атм. Затем в ампуле запаивают ввод 4 (фиг. 2) и вставляют в снаряд 5 (фиг. 3), содержащий, кроме ампулы 1, приспособление для ее разрущения 6, например, стержень с пружиной, приводимое в действие пусковым устройством 7, например часовым механизмом. После подготовки снаряда 5 (фиг. 3) его доставляют в щтрек 8 (фиг. 4), из которого с помощью лебедки 9 и каната 10 опускают в полость 11 через скважину 12, диаметр которой D примерно на 20-40 мм больще диаметра d снаряда 5, например 100 мм. Снаряд 5 опускают на глубину (h + x), где X - расстояние (априори), равное примерно половине высоты полости. Обычно величина X может быть установлена либо опусканием снаряда 5 до достижения дна полости (что узнают по слабине каната), а затем поднятием примерно На середину высоты, либо принимают X 3-5 м. После спуска снаряда 5 (фиг. 5) перекрывают устье 13 скважины 12, например, полихлорвиниловой пленкой. С помощью пускового устройства 7 приводят в действие приспособление 6 для разрущения ампулы 1. Газиндикатор 3 выходит из нее и распределяется равномерно по всему объему полости, сначала под действием избыточного давления в первоначальном объеме VH, когда давление в ампуле Рд больше давления воздуха в полости (например, Рд равно 2Рн или ЗРн), а затем за счет парциального давления объема VH . Время диффузии определяют заблаговременно из второго закона Фика С (r,t ) -fe, где t - время продолжительности диффузии;Я-плотность воздуха в полости; г - максимальное расстояние от ампулы до стенки полости; С - концентрация газа-индикатора (гелия) в смеси газов (воздухе), заполняющих полость; М-масса внесенного газа-индикатора (гелия); D - коэффициент диффузии газа-индикатора в воздухе. При значительных размерах полости для сокращения времени диффузии, что сказывается на общем времени измерения, заготавливают ряд ампул одинакового объема VH с газом-индикатором при различных давлениях (например, Рд, 2Рн; РА2 ЗРн; РА 4Р„, ...), превышающих нормальное. После выдержки во времени, необходимой для диффузии, извлекают снаряд 5 и опускают щланг 14 (фиг. 6). С помощью насоса 15 в герметизируемый резервуар 16 отбирают пробу смеси газов 17. Параллельно с отбором пробы измеряется давление воздуха в щтреке Р. Устье скважины 13 на время отбора пробы перекрывают. Если глубина м, то газ-индикатор 3 вносится и смесь газов 17 отбирается комбинированным снарядом 18 (фиг. 8), включающим ампулу 1 с газом-индикатором, приспособление для ее разрушения 6, много функциональный пусковой механизм 19, резервуар 20, замок 21, вентилятор 22 и аккумулятор 23. Через устье 13 скважины 12 (фиг. 7) на канате 10 с помощью лебедки каротажной станции 24 в полость 11 опускают комбинированный снаряд 18. После достижения заданной глубины h 3-5 м, если нельзя установить примерную глубину другим путем, устье 13 скважины 12 перекрывают, а ампулу 1 разрушают с помощью приспособления б, приводимого в действие многофункциональным пусковым механизмом 19, например, часового типа. После равномерного распределения газаиндикатора 3 по всему объему полости 11 производят отбор пробы смеси газов 17 фиксированного объема через окна (не /оказаны) в резервуар 20, прогоняя смесь газов сквозь него с помощью вентилятора 22, работающего от аккумулятора 23, включаемого и выключаемого в заданное время пусковым механизмом 19. Затем осуществляют герметизацию отобранной в резервуар 20 пробы (закрытие окон) путем приведения в действие пусковым механизмом 19 замка 21, обеспечивающего поворот внутреннего корпуса резервуара отйосительно наружного (на фиг. 8 -корпуса резервуара 20 не показаны), и удержание его в закрытом положении. Параллельно измеряют атмосферное давление Р у устья 13 скважины 12 (фиг. 7). Следующими операциями являются подъем комбинированного снаряда 18 на поверхность, зате (и в первом и во втором варианте) определение концентрации газа-индикатора 3 в.отобранной пробе на масс-спектрометре, например, типа МХ6407П. Вычисление объема полости производят по формуле ,,Vn , где VH - объем внесенного газа-индикатотора (объем ампулы); Рд - давление газа-индикатора в ампуле;С - концентрация внесенного газаиндикатора в смеси газов; РН -давление смеси газов в полос КРв-ти; Р - измеренное значение давления воздуха в штреке или у устья скважины на поверхности; К - расчетный поправочный коэффициент за разность уровней (штрека и полости или дневной поверхности и полости). Использование предлагаемого способа позволяет сократить время определения объема подземной полости, дает возможность снизить до минимума работы в подземных условиях, выполняя их там более простой аппаратурой, находить объемы полостей сложной (причудливой) конфигурации без снижения точности, уменьшить сечение вскрывающей выработки, т. е. удешевить процесс измерений. Формула изобретения Способ определения объема подземной полости, включаюший создание избыточного давления и перекрытие канала на входе в полость, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости процесса измерения в подземных условиях, в ампулу вводят газ-индикатор заданного объема и давления, гepмefизиpyют ампулу, доставляют ее в измеряемую полость, вскрывают, отбирают пробу смеси газов, изменяют атмосферное давление вне полости, определяют концентрацию газа-индикатора в пробе и по полученным данным определяют объем расчетным путем. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Рыжов П. А. Маркшейдерское дело. М. Металлургиздат, 1958, с. 144. 2.Авторское свидетельство СССР № 398829, кл. G 01 F 17/00, 1971.

Фит.2

Фи-гЛ ///X///JVx////-/x//xxX Фи1.5

11 16 13