Способ изучения деформационных свойств скальных массивов и устройство для его осуществления

 

Использование: исследование деформируемости и прочности массивов скальных пород при изыскательских работах. Сущность изобретения: на поверхности пуансонов многокомпонентного прессиометра устанавливают в несколько рядов преобразователи нагрузки. Размещают прессиометр в скважине. В полость прессиометра подают под давлением рабочую жидкость. Перемещающиеся пуансоны создают нагрузку на стенки скважины. Измеряют перемещение каждого пуансона и нагрузки в отдельных точках их поверхности. По полученным данным определяют модули деформаций в различных точках контура скважины. По значениям модулей деформаций выявляют местоположение участков кавернозности, трещиноватости и пропластков пород различной прочности. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s . Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬCTBY

1 (21) 4909639/03 (22) 12.02,91 (46) 15.02.93. Бюл. N 6 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт буровой техники (72) Г, Ф. Перлов, В. А. Бирман и Ким Хен Су (56) Рекомендации по методике прессиометричфских исследований. М„Гидропроект., 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1545704, кл, Е 21 С 39/00, 1984. (54) СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: исследование деформируемости и прочности массивов скальных

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

Известны стандартные испытания керна, отобранного с мест проведения опытов.

Эти.испытания, оп ределя ющие петрографическИй состав породы. ее проницаемость, порйстость и крепость, не позволяют судить о деформируемости и прочности массивов, вмещающих эти породы. известен способ изучения деформаци.онных свойств скальных массивов, включающий циклическое нагружение стенок Ы,» 1795098 А1 пород при изыскательских работах. Сущность изобретения: на поверхности пуансонов многокомпонентного прессиометра устанавливают в несколько рядов преобразователи нагрузки. Размещают прессиометр в скважине. В полость прессиометра подают под давлением рабочую жидкость, Перемещающиеся пуансоны создают нагрузку на стенки скважины. Измеряют перемещение каждого пуансона и нагрузки в отдельных точках их поверхности. По полученным данным определяют модули деформаций в различных точках контура скважины. По значениям модулей деформаций выявляют местоположение участков

° каверноэности, трещиноватости и пропластков пород различной прочности. 2 с, и 1 э. и, ф-л ы, 4 ил, скважины посредством пуансонов многокомпонентного и рессиометра, измерение перемещений пуансонов и давления в гидросистеме, по которым определяют деформационные свойства массива, Дан.ный способ является наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Способ осуществляют устройством для определения деформационных свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопряженные с пуансонами, и преобразователи линейного перемещения пуансонов, Этот способ позволяет получать усредненные значения деформационных свойств

1795098

55 массива без учета наличия пропластков породы под пуансоном, их залегания, твердости и трещиноватости, Целью изобретения является повышение информативности способа и повышения точности измерений за счет выявления трещиноватости, кавернообразности и наличия пропластков породы различной крепости.

Укаэанная цель достигается техниче.ским решением, представляющим собой нов.ый способ изуч ения деформационных свойств скальных массивов, включающим циклическое нагружение стенок скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давления в гидросистеме, по которым определяют деформационные свойства массива, осуществление которого обуславливается применением устройства определенной новой конструкции.

Изобретенный способ отличается от известного способа тем, что дополнительно измеряют значения давления на отдельных измерительных участках рабочей поверхности пуансонов, по которым устанавливают наличие и месторасположение местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка породы меньшей прочности.

Изобретенный способ отличается от известного способа также тем, что прессиометр дискретно перемещают по глубине скважины и дискретно поворачивают на расстояния, не превышающие расстояний между измерительными участками поверхности пуансонов.

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции для определения свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопряженные с пуансонами, преобразователи линейного перемещения пуансонов.

Отличие устройства, позволяющего осуществить новый способ; состоит в том, что на внешней поверхности пуансонов выполнены продольные пазы, а преобразователи нагрузки размещены в несколько рядов и жестко закреплены в пазах, при этом наружные поверхности преобразователей нагрузки изолированы друг от друга и имеют общий с пуансонами центр и одинаковый радиус кривизны, На фиг, 1 изображено устройство с двумя взаимойезависимыми парами пуансонов; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1, установка на пуансонах преобразователей нагрузки; на фиг, 3 — выносной элемент на

50 фиг, 2, конструкция преобразователя нагрузки, Прессиометр включает капсулу 1, состоящую из корпуса 2, с верхней 3 и нижней 4 крышками, систему трубопровода 5, эластичные камеры 6, сообщенные с трубопроводом, выдвижные пуансоны 7, смонтированные в пазах корпуса 2 с воз- . можноСтью радиального перемещения, первичные преобразователи перемещения пуансона 8, первичные преобразователи нагрузки 9, жестко расположенные в пазах 10, 11, 12 пуансона, коммуникационную связь, ее разьем, электронные приборы (на чертежах не показаны), упругие элементы 13 и 14 в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней и нижней частях, Пазы 10, 11, 12, располагаемые рядами вдоль образующих рабочей поверхности пуансона, могут иметь форму "ласточкиного хвоста", служащую для установки в пазах преобразователей нагрузки и.элементов 15, 16, изолирующих измерительные элементы друг от друга.

В пазы вставляется заданное количество преобразователей нагрузки и элементов, их изолирующих, а фиксация преобразователей от продольного перемещения в пазах достигается, например, с помощью крайних элементов 15, закрепляемых винтами 17 в резьбовых отверстиях пуансона. Длина пре,образователей и элементов 15, 16, должна быть такой, чтобы исключить осевые зазоры между ними после закрепления элементов

15. Для этого может быть использован набор разнотолщинных прокладок, устанавливаемый между элементами 15 и рядом расположенным преобразователем, или размещением винтов 17 на продольных пазах крайних элементов, Перемещению преобразователей в поперечном направлении препятствуют стенки пазов пуансона, Преобразователь нагрузки может иметь различное конструктивное исполнение, saвисящее от способа замеров (тензометрический, индуктивный или др.), Ha чертежах представлен тензометрический первичный преобразователь, Конструкция его измерительного элемента зависит от вида измеряемой деформации (например, сжатие, растяжение, изгиб). На фиг, 2 и 3 показан измерительный элемент 18 в форме балки изгиба, Наружная поверхность 19 элемента представляет собой часть цилиндрической поверхности, имеющей общий центр и радиус кривизны P с наружной поверхностью пуансона, Боковые поверхности 20 и 21 bio форме и размерам повторяют паз в пуансо1795098

55 не. Внутри элемента выбраны пазы 22 и 23, На стенках 24 и 25 элемента монтируются тензорезисторы 26. а коммуникационные провода размещаются внутри паза 22. Паз

23 пред .:смотрен для повышения чувствительности элемента к измеряемой изгибающей нагрузке при нагружении породы.

Все датчики перемещения и давления короткими экранированными линиями связи подключены к герметиэированному разьему, установленному на верхней крышке корпуса. Герметизированный разъем линий экранированной обратной связи подсоединяется к электронным приборам, установленным вне скважины на поверхности.

Предусмотрено измерение значений перемещения верха и низа пуансона, для чего первичные преобразователи перемещения установлены встречно с двух сторон пуансона, Прессиометр перед работой собирают в следующей последовательности.

В пазы пуансона вставляют и закрепляют на винтах крайние верхние (ипи нижние) разделительные элементы, устанавливают в пазы пуансона собранные первичные преобразователи давления поочередно с разделительными элементами, закрепляют в пазах крайние нижние (верхние) разделительные элементы. Подвижные концы каждого первичного преобразователя перемещений сообщают с пуансоном, а неподвижные закрепляют в корпусе, Пуансоны фиксируются в корпусе устройства упругими кольцами, На верхней крышке монтируется разъем, к которому подключаются короткие линии связи с преобразователями. Верхняя и нижняя крышки прессиометра закрепляются на корпусе. Монтируется трубопроводная линия прессиометра, и к электрическому разъему посредством экранированной кабельной линии связи подсоединяются электронные приборы, расположенные на поверхности.

Способ изучения деформационных свойств скальных массивов прессиометрией скважины осуществляется следующим образом.

При подаче давления в трубопровод эластичные камеры раздвигаются и под их воздействием каждый пуансон выдвигается из корпуса. перемещения его замеряются первичными преобразователями, электрические сигналы которых подаются через усилители к регистрирующим и показывающим приборам, в том числе двухкоординатному прибору, а при необходимости и на

3ВМ.

С использованием полученных замеров по известным соотношениям определяются

30.

35 модули деформации и сдвига массива, коэффициент Пуассона, анизотропии и т.д.

Например, модуль деформации — Е находится по формуле:

Ра где Ра — давление в активной компоненте гидросистемы;

Ua — радиальное перемещение пуансона (внедрение в породу точки, лежащей на контактной поверхности пуансона, в плоскос и его симметрии); — коэффициент условий нагружения активной компоненты, меняющийся в диапазоне О,1 — 0,5 в зависимости от значения коэффициента Пуассона породы и угла контакта пуансона с породой, в свою очередь зависящего от значений перемещения (внедрения) пуансона в породу, Подставляя в формулу фактические значения Рз в гидросистеме и на отдельных измерительных участках пуансона, а также измеренное значение О, принимая, что пуансон является жестким телом и все величины перемещения его точек, лежащих на одной вертикальной оси, одинаковы, определяются модули деформации породы под пуансоном и на измерительных участках, центры которых расположены в вертикальной плоскости симметрии пуансона.

Перемещения центров измерительных участков, расположенных на равном расстоянии от вертикальной плоскости симметрии пуансона, находятся аналитически или по номограммам по известным расстояниям этих центров от укаэанной плоскости и определенным в процессе исследований значениям фактического диаметра скважины и перемещения точек пуансона в плоскости

его симметрии, Модули деформации породы под этими участками определяются по той же формуле подстановкой значений нагруженности их измерительныхучастков и найденных по вышеуказанному способу перемещений, Сопоставляя значения найденных модулей деформации под пуансоном и на его измерительных участках, выявляются трещиноватость, кавернообразность, наличие пропластков породы различной крепости, Так о наличии каверны под измерительным участком пуансона свидетельствует малое (по сравнению с остальными участками) или даже "нулевое" значение модуля деформации.

Одинаковые или близкие значение модулей деформации пород под участками, расположенными на одной окружности пу1795098 ансона, могут быть признаком горизонтального залегания породы или ее однородности, особенно, если модули деформации участков, расположенных на других окружностях пуансонов, равны или близки между собой.

Если значения модулей деформации одних измерительных участков больше, а других меньше, чем модуль деформации породы под пуансоном, это может означать . наличие пропластков пород разной прочности или трещиноватость их, С целью установления наличия и месторасположения местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка пород меньшей прочности выбираются шаги перемещения пуансона по окружности скважины и ее глубине, соответственно дискретно перемещают прессиометр и проводят замеры. Перемещение как по окружности, так и глубине скважины производят на расстояния, не превышающие расстояния между измерительными участками.поверхности пуансонов. Первоначально перемещение производят на величину, равную половине шага — расстоянию между .центрами измерительных участков пуансона (по вертикали и окружности). В случае большого разброса значений модулей де.формации на измерительных участках пуансона проводят дополнительные перемещения на величину, меньшую поло. вины шага, или по окружности скважины— на угол, равный половине угла между осями пуансонов, Пример 1. Устройство (фиг, 1, 2, 3) выполнено на базе прессиометрического комплекса 2КГД-130М с двумя активными компонентами, перемещения пуансонов замеряются первичными преобразователями, расположенными встречно друг к другу с противоположных сторон каждого пуансона. На контактной поверхности пуансонов измерительные участки оснащены измерительными элементами — первичными преобразователями нагрузки, расположенными относительно вертикали в два ряда по три элемента в каждом ряду, Наружные поверхности преобразователей нагрузки имеют общий с пуансонами центр и радиус кривиз. ны, Расстояние между центрами измерительных участков по окружности составляло

40 мм, а расстояние между центрами участков по вертикали — 110 мм. Показатели модулей деформации элементов, расположенных в одном вертикальном ряду, на пуансоне, для удобства обозначены цифрами

1, 2, 3, а на противоположном — 4, 5, 6, Индексом "а" обозначен первый элемент, "в" — левый элемент на одной окружности пуансона.

Способ позволил отбивать границы и положение в пространстве прослоек пород

5 мощностью до 10 см. На фиг, 4 изображено положение ("стоянка") прессиометра в скважине диаметром 132 мм, пробуренной в породах, представленных песчаниками и прослоями аргиллитов, 10 Модуль деформации пород под пуансоном на этой стоянке составлял 70-90 х х10 кгс/смг.

Значения модулей деформации породы измерительных участков Е 1, Е 1, Е, Е з, 15 Е 6, Е 6 примерно равны между собой и составляли 90 — 100 10з кгс/см, в то время как Е г, Е г, Е 4, Е 4 менялись в диапазоне 30-40 10 кгс/см, а Е 5, Е 5—

60-70 10 кгс/см .

20 Значения полученных модулей свидетельствуют о наличии пропластков пород различной прочности, причем породы залегают наклонно относительно оси скважины.

Для определения мощности пропластков и

25 угла их залегания пуансон опускается в скважину на 55 мм (половина шага между вертикальными элементами) и повторяется циклическое нагружение породы. При этом получены новые значения модулей напря30 жения:

Е1 = Е1Ь E lb4 E1à Е1Ь

= Е85 = Е 5 = 60 — 70 10 кгс/смг, = Е 1 = Е в =Е =90 — 100 10 кгс/см

35 Е = 90-100 10 кгс/см .

Е 4 Е 4=Е 6=Е 6

= 30 — 40.10 кгс/см .

Таким образом установлено, что на стоянке 9 м скважину пересекают.прослои пес4О чаников и аргиллитов, мощность каждого из которых составляет около 10 см. Модуль деформации песчаника около 90 †1, аргиллитов — 30 — 40 10 кгс/см, а в зоне пересечения пластов песчаника и аргиллита

45 под центром измерительного участка — 6070 10 кгс/см .

Опуская прессиометр в скважину еще на 30 мм можно отбить границы (и угол за-. легания) пропластков с точностью до 10 мм.

Пример 2. Модуль деформации пород скважины, сложенной аргиллитами, под пуансоном .-20-35 10 кгс/см, а под измери-з г тельными элементами 1, 3, 4, 6-Е1, Ез, Е4, q Е6 =30-40 10 кгс/см, под элементами 2 и

-э г

5 — Ег и Е5 =0-15 10 кгс/см, Показатели элементов 2 и 5 свидетельствуют о наличии каверн в зоне их расположения. Поворачивая прессиометр по окружности скважины последовательно на

1795098

15 угол, эквивалентный смещению центров измерительных элементов на 20. 30 мм, а пОсле него при необходимости на угол 15, 30, 45 определяется протяженность и количество каверн по окружности скважины (на 5 данной стоянке), э перемещая прессиометр в скважине нэ -расстояния, не превышающие расстояний между йзмерительными участками на поверхности пуансонов, определяют контуры каверн по высоте. 10

Использование. описанных способов и устройства позволяет определить деформаФормула изобретения

1. Способ изучения деформационных свойств скальных массивов, включающий циклическое нагружение стенок скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давления в гидросистеме, по которым определяют деформационные свойства массива, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем выявления трещиноватости, кэвернообразности и наличия пропластков породы различной крепости, дополнительно измеряют значения давления нэ отдельных измерительных участках рабочей поверхности пуансонов, по которым устанаэливают наличие и месторасположение местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка породы меньшей прочности.

2. Способ по п. 1, о т л и ч э ю шийся тем, что с целью повышения точности, пресционные свойства массива с большей точностью измерений за счет выявления трещиноватости. кавернообразности и наличия пропластков породы различной крепости благодаря дополнительным измерениям значений давления на отдельных участках рабочей поверхности пуансонов, перемещения пуансонов по окружности скважины и ее глубине, расстояние, не превышающие расстоя ний между измерительными участками пуансонов. сиометр дискретно перемещают по глубине скважины и дискретно поворачивают на расстояния, не превышающие расстояния между измерительными участками поверхности пуансонов.

3. Устройство для изучения деформационных свойств скальных массивов, включающее корпус, установленные в нем пуансоны. эластичные камеры, сопряженные с пуансонами и преобразователи линейного перемещения пуансонов, о т л и ча ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, устройство снабжено преобразователями нагрузки, на внешней поверхности пуансонов выполнены продольные пазы, а преобразователи нагрузки . размещены в несколько рядов и жестко закреплены в пазах, при этом наружные поверхности преобразователей нагрузки изолированы одна от другой и имеют общий с пуансонами центр и одинаковый радиус кривизны, 1795098

1795098 фиг4

Составитель В. Бирман

Техред M.Ìoðãåíòàë

) Корректор; M. Керецман

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 4.13 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5