Способ измерения деформаций стенок скважин и устройство для его осуществления

 

Назначение: изобретение относится к горной промышленности и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и оценки удароопасности горных выработок. Сущность изобретения: способ заключается в определении величины и направления смещений в скважине путем преобразования механических деформаций в электрические колебания и проведении измерений. При этом для преобразования механических колебаний в электрические используют световой поток, который передают от источника света через отражатель к приемнику светового потока. По изменению тока приемника светового потока, фиксируемого измерителем, с учетом знака регистрируют абсолютные значения и направление линейных смещений стенок скважины. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород и оценки удароопасности горных выработок.

Известны и находят широкое применение ряд геофизических методов оценки напряженного состояния горных пород и удароопасности горных выработок, такие, как электрометрия, сейсмоакустика и т.п. [1] При использовании этих методов о напряженном состоянии массива пород и степени удароопасности судят по отклонению того или иного физического параметра, но т.к. изменения физических параметров пород определяются не только горным давлением, но и рядом других факторов (влажность, температура, тектоника и т.п.), учесть которые часто не представляется возможным, достоверность геофизических методов довольно низка.

Известен способ оценки напряжений в массиве пород по деформациям контура отверстий на контуре сечения выработок с помощью гидравлического устройства [2] Сущность способа состоит в измерении радиальных деформаций контура скважин и расчета напряженного состояния пород. Недостатком этого способа является то, что при его помощи нельзя определить направление деформаций по координатам. Способ работает только на сжатие и им нельзя исследовать динамику напряженно-деформированного состояния массивов горных пород, в частности такой важный параметр, как производную абсолютных значений деформаций по времени, в связи с чем информативность способа также низка.

Известен способ измерения деформаций стенок скважин при помощи регистрирующего устройства для контроля относительного сдвижения горных пород, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в преобразовании механических деформаций в электрические колебания и проведении измерений [3] Известное регистрирующее устройство, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит преобразователь механических колебаний в электрические, выполненный в виде передающего датчика (репер) системы рычагов (струна, барабан, винт) и измерительный узел.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают надлежащей точности, информативности и надежности контроля, т. к. изменение собственной частоты контура находится в сложной степенной зависимости от линейных смещений горных пород. Кроме того, способ предлагает гальваническую связь первичного датчика с регистрирующим устройством, что в шахтных условиях вносит еще дополнительную погрешность в результаты измерений.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение информативности и достоверности измерений.

Поставленную задачу можно решить за счет достижения технического результата, который заключается в упрощении процесса исследования состояния массива горных пород в динамике и в обеспечении возможности определять абсолютные линейные размеры деформации стенок скважины.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения деформаций стенок скважины, включающем определение величины и направления смещений в скважине путем преобразования механических деформаций в электрические колебания, для преобразования механических деформаций в электрические колебания используют световой поток, который передают от источника света через отражатель к приемному светового потока и по изменению тока приемника светового потока, фиксируемого измерителем усилителя тока, с учетом знака регистрируют абсолютные значения и направление линейных смещений стенок скважины.

Указанный технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для измерения деформаций стенок скважин, содержащем преобразователь механических деформаций в электрические колебания, включающий передающий датчик, систему рычагов и измерительный узел, шток передающего датчика снабжен отражателем светового потока, напротив которого установлены источник и приемник светового потока, а измерительный узел снабжен усилителем тока.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Причем все отличительные признаки являются существенными, т.к. отсутствие любого из них не позволит достигнуть указанный технический результат.

Связь датчика, передающего информацию о степени деформации стенок скважин с приемным датчиком измерительной аппаратуры посредством светового потока, значительно упрощает процесс исследования состояния массива горных пород в динамике.

Для того, чтобы получить направленный световой поток, используют устройство с парой источник-приемник света и отражатель светового потока.

Для обеспечения возможности определять абсолютные линейные размеры деформации стенок скважины измерительный узел снабжен усилителем тока.

Для доказательства соответствия заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень" проводилось сравнение с другими техническими решениями, известными из источников, включенных в "уровень техники". Такое сравнение не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемые решения от прототипов. Кроме того, имеются еще обстоятельства, свидетельствующие в пользу "изобретательского уровня", а именно: на протяжении длительного времени для оценки напряженного состояния горных пород и удароопасности горных выработок применялись геофизические методы, такие как электрометрия, сейсмоакустика и т.п. Некоторыми специалистами предлагались методы измерения деформаций стенок скважин путем преобразования механических деформаций в электрические колебания при помощи передающего и приемного датчиков, связанных системой рычагов. Однако все эти методы не обеспечивают надлежащей точности, достоверности, информативности.

Заявляемое же решение позволяет упростить процесс исследования состояния массива горных пород, повысить точность измерений путем использования светового потока, и тем самым увеличить информативность и достоверность измерений.

Авторам удалось преодолеть предубежденность других специалистов, технические трудности и решить поставленную задачу увеличение информативности и достоверности измерений путем использования светового потока для преобразования механических деформаций в электрические колебания.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Для доказательства критерия "промышленное применение" достаточно сказать то, что прорабатывается вопрос о возможности использования заявляемого способа на Дарасунском руднике.

Предлагаемый способ измерения деформаций стенок скважин осуществляется следующим образом.

П р и м е р. Проведены стендовые лабораторные испытания способа. Пластмассовая труба с внутренним диаметром 40 мм имитировала скважину.

Деформация стенок трубы производилась прессом, размер деформации контролировался микрометром.

Перед началом измерений (этап градуировки) приемный датчик с источником и приемником инфракрасного излучения помещался против передающего датчика с отражателем инфракрасного излучения. На индикаторе измерителя тока приемника инфракрасного излучения устанавливался "0". На этом этап градуировки заканчивался.

При деформации под прессом стенок скважины, например по координатной оси Z, шток перемещает отражатель инфракрасного излучения, расстояние между отражателем и парой источник-приемник инфракрасного излучения уменьшается. Интенсивность отраженного света увеличивается, увеличивается и ток приемника отраженного инфракрасного излучения. Это увеличение тока фиксировалось стрелочным индикатором усилителя тока уходом стрелки в положительную область шкалы относительного нулевого отсчета. При деформации прессом стенок скважины, например, по оси Y, шток перемещает отражатель инфракрасного излучения в обратную сторону, расстояние между отражателем и парой источник приемник инфракрасного излучения увеличивается. Интенсивность отраженного света уменьшается, уменьшается и ток приемника отраженного инфракрасного излучения. Это уменьшение тока фиксировалось стрелочным индикатором усилителя тока уходом стрелки в отрицательную область шкалы относительного нулевого отсчета.

Размер деформации стенок скважины изменяли в пределах ±5 мм (относительно оси Z), что соответствовало изменению тока на индикаторе усилителя тока ±5 мА. Так как прессом производили деформацию стенок на 1 мм по оси Z. При этом стрелка индикатора усилителя тока отклонялась на 1 мА в положительный сектор шкалы стрелочного индикатора. При деформации стенок скважины на 3 мм стрелка индикатора усилителя тока отклонялась на 3 мА в положительный сектор шкалы.

Затем деформацию стенок скважины производили на 1 мм по оси Y. При этом стрелка индикатора усилителя тока отклонялась на 1 мА в отрицательный сектор шкалы. При дальнейшем увеличении деформации стенок скважины последовательно на 1 мм стрелка индикатора усилителя тока последовательно отклонялась на 1 мА.

Таким образом, линейное изменение деформации стенок скважины линейно изменяло значение фиксируемого тока и в дальнейшем по значениям тока с учетом знака определяли размер линейной деформации стенок скважины, а по знаку значений тока определяли направление деформаций по координатным осям, т.е. динамику процесса.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа измерения деформаций стенок скважин; на фиг.2 графики тарировки датчиков.

Устройство для осуществления способа измерения деформаций стенок скважин состоит из отражателя инфракрасного излучения 1, связанного со штоком 2 и системой рычагов 3. Против отражателя установлена пара источник приемник инфракрасного излучения 4, связанная с усилителем тока 5 и индикаторами 6.

Устройство измерения деформаций стенок скважин работает следующим образом. Радиальная деформация стенок скважины 7 через систему рычагов 3 передается на шток 2 с отражателем инфракрасного излучения 1 и преобразуется в осевую деформацию. В зависимости от направления и степени деформации расстояние между отражателем и парой источник приемник излучения изменяется. Изменение этого расстояния ведет к уменьшению или увеличению светового потока, поступающего на приемник излучения, и в свою очередь к уменьшению или увеличению тока приемника излучения. Это изменение тока фиксируется индикатором 6 усилителя тока 5 отклонением стрелки в положительную или отрицательную область шкалы. Так как изменения тока пропорциональны линейным деформациям стенок скважин, то приращение тока от нулевых показаний с учетом знака дают эти значения деформации. При этом знак указывает направление деформации по координатным осям.

Использование предлагаемого способа и устройства для измерения деформаций стенок скважин позволяет по сравнению с существующими повысить информативность и достоверность измерений, т.к. дает возможность получить абсолютные значения смещения стенок скважин с высокой точностью и определить направление деформации по координатным осям.

Формула изобретения

1. Способ измерения деформаций стенок скважин, включающий определение величины и направления смещений в скважине путем преобразования механических деформаций в электрические колебания и регистрации информации о величине и направлении деформации, отличающийся тем, что преобразование механических деформаций в электрические колебания осуществляют путем формирования светового потока, отражения его на светочувствительную поверхность светоприемника и фиксирования выходного тока светоприемника, а величину и направление смещений в скважине определяют по величине и знаку выходного тока.

2. Устройство для измерения деформаций стенок скважин, содержащее преобразователь механических деформаций в электрические колебания, включающий систему рычагов, соединенных посредством штока с передающим датчиком и связанный с ним приемный датчик, соединенный с измерительным узлом, и индикатор, отличающееся тем, что передающий датчик выполнен в виде отражателя светового потока, соединенного с штоком, приемный датчик выполнен в виде оптически связанных с отражателем источника и приемника светового потока, а измерительный узел снабжен усилителем на выходе, выход которого подключен к входу индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2