CZ27108U1 - Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků - Google Patents

Description

Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků

Oblast techniky

Technické řešení se týká mechaniky hornin, zejména ke zkoušení jejich vzorků s největším přiblížením přirozených podmínek, konkrétně se řešení týká zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků.

Současný stav techniky

Mechanika hornin je vědním oborem, který využívá velmi sofistikované způsoby zkoušení horninové hmoty odebrané z horninového masivu.

Různé, v přírodě se vyskytující skalní horniny vykazují rozdílnou odolnost vůči hydraulickému štěpení - HFS „Hydraulic Fracture Strength“. K porušení tlakem štěpicí kapaliny tedy dochází při rozdílných tlakových úrovních. Kromě tahové únosnosti základního materiálu horniny vstupuje do této problematiky také makro a mikrotektonické porušení konkrétního horninového vzorku, jeho lomová houževnatost či naopak křehkost.

Laboratorní metody jsou nedílnou součástí geotechniky a tedy i mechaniky hornin. Laboratorní zkoušky i zkoušky v terénu („in-situ“) využívají poslední poznatky technických oborů a jsou v některých případech nenahraditelné především při určování vlastností horninového materiálu. Poznání vlastností hornin je nutné pro ověřování chování geotechnických konstrukcí, pro stanovení mezních stavů, pro zpětnou analýzu atp. Standardní laboratorní zkoušky mechaniky hornin přistupují k zatěžování vzorku z vnějšího směru. Horninové vzorky jsou namáhány v lisu tlakem, případně příčným tahem vyvolaným tlakovým zatěžováním. Další typy zkoušek, jako jsou např. trixiální nebo brazilská zkouška, jsou zaměřeny na kombinované zatěžování zkušebního tělesa.

Nevýhodou stávajících a používaných zkoušek je skutečnost, že těmito způsoby nelze provést zkoušku stanovení hydraulické pevnosti hornin.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky stavu techniky jsou odstraněny zařízením pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle technického řešení, v jehož systému jsou zařazeny zdroj vody s provozním zásobníkem, hydraulický zdroj, řídicí a napájecí jednotka a zkušební komora, jehož podstatou je to, že hydraulický zdroj pro vyvození vysokého tlaku v systému, zkušební komora s v ní umístěným vzorkem a zdroj vody jsou propojeny potrubním systémem sestávající z části vysokotlaké pro rozvod vysokého tlaku a nízkotlaké pro napájení potrubního systému vodou, kde hydraulický zdroj je v komunikačním spojení s řídicí a napájecí jednotkou, jakož i to, že nízkotlakou část potrubního systému vycházející od zdroje vody k zpětnému ventilu tvoří doplňovací potrubí nízkotlaké vody pro průběžné doplňování vody do systému a prostřednictvím zmíněného zpětného ventilu k zabránění přenosu vysokého tlaku do nízkotlaké části, přičemž vysokotlaká část potrubního systému vychází samostatně od hydraulického zdroje přes zpětné ventily do zkušební komory pro přívod štěpícího tlaku a pozaďového tlaku.

Podstatou je rovněž to, že zkušební komora sestává ze spodní příruby a víka, mezi nimiž je svorníky sevřen plášť, v němž jsou vytvořeny otvor pro odpad, odvzdušňovací vývod a tlakový boční přívod pro pozaďový tlak, přičemž ve spodní přírubě je vytvořen spodní tlakový přívod pro štěpicí tlak, nebo že mezi vnitřním povrchem pláště a vnějším povrchem vzorku je umístěna pryžová vložka.

Dále je podstatou také to, že ve vzorku je vytvořen slepý vývrt se dvěma různými průměry, kde hlubší vývrt má menší průměr než vývrt ústící do dna vzorku jakož i to, že ve vývrtu ústícího do dna vzorku je upevněna přívodní trubka pro přívod štěpícího tlaku do neodstíněné části slepého vývrtu a také, že vzorek je upevněn v misce.

-1 CZ 27108 U1

Rovněž tak je podstatou to, že vzorek je ve zkušební komoře zajištěn tlačnou vložkou umístěnou mezi vrškem vzorku a víkem, kde tato tlačná vložka má příslušné vrtání k napojení na odpad a odvzdušňovací vývod vytvořené v plášti jakož i to, že součástí tlačné vložky je výkyvná opěrná podložka umístěná mezi vršek vzorku a spodek tlačné vložky.

Výhodou navrženého zařízení je skutečnost, že umožňuje simulaci štěpení horniny v podmínkách, které jsou blízké přirozenému uložení v horninovém masivu.

Pro laboratorní zkoušení jednotlivých typů hornin tj. stanovení HFS bylo vyvinuté navržené zařízení, které je unikátní a speciální v cílené simulaci procesů probíhajících při hydraulickém štěpení hornin v okolí hlubokých vrtů a dále byl navržen speciální tvar a úprava zkoušeného vzorku. Zatížení hydraulickou štěpící kapalinou je přivedeno do nitra vzorku centrickým vývrtem, který je do vzorku vytvořen v rámci jeho přípravy na zkoušku. Nej vhodnějším materiálem pro vzorek je vrtné jádro, které je odebráno např. při zkušebním vrtu. Jedná se tedy o postup zatěžování, který je analogický procesům tlakového štěpení v okolí vrtu. Sevření horniny okolním masivem geostatický tlak, je v komoře simulováno pomocí radiálního pozaďového tlaku a mechanickým axiálním přítlakem. V obou případech jsou vyvozovaná napětí samostatně regulovatelná.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladné provedení zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle technického řešení je znázorněno na přiložených výkresech kde představuje obr. 1 schéma sestavy zařízení, obr. 2 tlakovou komoru v řezu, obr. 3 nárys tlakové komory a obr. 4 řez vzorkem.

Popis příkladu provedení technického řešení

Podle schematického znázornění z obr. 1 zařízení podle technického řešení sestává ze zdroje 3 vody s provozním zásobníkem, hydraulického zdroje I, řídicí a napájecí jednotky 2 a zkušební komory 4. Zdroj 3 vody s provozním zásobníkem, hydraulický zdroj 1 a zkušební komora 4 jsou propojeny potrubním systémem 17. Hydraulický zdroj 1 je sestaven z vysokotlakých hydraulických čerpadel zajišťujících dosažení požadovaného zkušebního tlaku a je řešen jako dvouokruhový pro rozvod pozaďového tlaku PÍ a štěpícího tlaku P2, přičemž hodnota pozaďového tlaku Pl ie menší než hodnota štěpícího tlaku P2. Ze zdroje 3 vody s provozním zásobníkem vede jedna větev potrubního systému 17 k zpětnému ventilu 18, do něhož je přivedena i větev z hydraulického zdroje 1 pro vyvozeného pozaďového tlaku Pl, který je dále veden bočním tlakovým přívodem JT mezi pryžovou vložku 9 umístěnou na vnějším povrchu vzorku 14 a vnitřní plochu pláště 7 zkušební komory 4. Dále je z hydraulického zdroje 1 vyvedena do vzorku 14, umístěného ve zkušební komoře 4 přes zpětný ventil 18' větev, pro štěpící tlak P2. Zpětné ventily 18, 18' jsou propojeny.

Řídicí a napájecí jednotka 2 je napojena na hydraulický zdroj 1 a umožňuje volbu režimu hydraulického napětí tj. lineární a pulzní tlak a dále umožňuje nastavení různých časových průběhů tlaku ve štěpné kapalině. Lze zvolit různě rychlé nárůsty a poklesy štěpícího tlaku P2, jeho ustálení na zvolené úrovni a je mu možné dodávat pulzující charakter o volitelné frekvenci a amplitudě jednotlivých pulzů prostřednictvím neznázoměného generátoru pulzů, jímž je doplněn okruh pro štěpící tlak P2.

Řídicí a napájecí jednotka 2 je vybavena neznázoměnými ovládacím panelem, tlakovými snímači a záznamovým zařízením pro dokumentaci kompletního průběhu zkoušky, při níž se odečítá průběh štěpícího tlaku P2.

Jak je uvedeno v předchozím textu, štěpící tlak P2 a pozaďový tlak Pl jsou přivedeny do zkušební komory 4 - viz obr. 2, 3. Tato zkušební komora 4 sestává ze spodní příruby 5 a víka 6 mezi nimiž je prostřednictvím svorníků 8 sevřen plášť 7. Ve spodní přírubě 5 je vytvořen průchozí otvor, který slouží jako spodní tlakový přívod 10 pro štěpící tlak P2 přiváděný potrubním systémem 17. Plášť 7 je ve střední části opatřen bočním tlakovým přívodem 1T pro spojení s potrubním systémem 17 přivádějící pozaďový tlak Pl mezi jeho vnitřní povrch a vnější povrch vzorku

-2CZ 27108 Ul pro simulaci horninového napětí. Dále jsou v plášti 7 vytvořeny odvzdušňovací vývod 12 a odpadový otvor 13. V radiálním směru je vzorek 14 vymezen pryžovou vložkou 9 vůči plášti 7, prostřednictvím níž je vyvozen tlak na vzorek 14. V axiálním směru je poloha vzorku 14 vymezena tlačnou vložkou 19, umístěnou mezi jeho vrškem a víkem 6. Tlačná vložka 19 ie opatřena výkyvnou opěrnou podložkou 21 pro eliminaci kolmosti čela vzorku 14. V tlačné vložce 19 jsou provedena neoznačena příslušná vrtání pro spojení s odvzdušňovacím vývodem 12 a odpadovým otvorem 13. Všechny hydraulické prostory při sestavené zkušební komoře 4, tj. spodní příruba 5, víko 6 a plášť 7 s umístěným vzorkem 14 jsou příslušně utěsněny vůči okolí prostřednictvím vhodně umístěných neoznačených pryžových O-kroužků řešících statické utěsnění. O-kroužky ovšem mohou být i z jiného vhodného materiálu, nejen z pryže.

Do zkušební komory 4 vkládaný vzorek 14 - viz obr. 4, je vytvořen jako zlomek jádrového vrtu vhodné velikosti. Tzn. že má tvar válce, válečku, z jehož základny je proveden do tělesa válce slepý vývrt 20, který končí asi v polovině délky vzorku 14. Průměr asi 2/3 délky slepého vývrtu 20 vycházející z jeho základny je větší, než zbývající neodstíněná 1/3 jeho délky končící přibližně v jeho geometrickém středu. V celé délce slepého vývrtu 20 s větším průměrem je vložena a upevněna přívodní trubka 16, jejíž část vyčnívá ze základny vzorku 14. Tato vyčnívající část přívodní trubky 16 ústí do spodního tlakového přívodu 10 pro aplikaci štěpícího tlaku P2. Upevnění přívodní trubky 16 ve slepém vývrtu 20 je provedeno vhodným těsnicím a upevňovacím tmelem. Takto sestavený vzorek 14 je pak uložen v misce 15, která se stává součástí sestavy vzorku 14.

Při zkoušení vzorku 14 se tento nejprve umístí do zkušební komory 4 tak, že se mezi plášť 7 a samotný vzorek 14 vloží pryžová vložka 9. Tímto je vzorek 14 ustaven ve zkušební komoře 4 v radiálním směru. V axiálním směruje vzorek 14 zajištěn výkyvnou opěrnou podložkou 21, která se umístí na jeho vršek a na výkyvnou opěrnou podložku 21 se umístí tlačná vložka 19 a celý soubor je pak zafixován víkem 6, které je prostřednictvím svorníků 8 spojeno se spodní přírubou 5, čímž dochází k sevření pláště 7 s v něm umístěným vzorkem 14. Když je takto sestavena zkušební komora 4 se vzorkem 14, potrubní systém 17 i se zkušební komorou 4 se zaplní vodou ze zdroje 3 vody. Vzduch, který je v celém potrubním systému 17 a zkušební komoře 4 při plnění vodou uniká odvzdušňovacím vývodem 12 do okamžiku, kdy začne z tohoto odvzdušňovacího vývodu 12 unikat i voda, což znamená, že je celý systém zaplněn vodou a odvzdušňovací vývod 12 se uzavře. Zpětné ventily 18, 18' se přestaví do pozice, která zabraňuje zpětnému průniku v potrubním systému 17 ke zdroji 3 vody, tzn. do nízkotlaké větve potrubního systému 17. Řídicí a napájecí jednotkou 2 se navolí režim činnosti hydraulického zdroje 1, jímž se generuje štěpící tlak P2 a pozaďový tlak PÍ. Pozaďový tlak PÍ se přivádí do zkušební komoiy 4 bočním tlakovým přívodem H pro simulaci horninového napětí, přičemž tlak na vzorek 14 je vyvozen přes pryžovou vložku 9. Režim činnosti hydraulického zdroje 1 se volí podle druhu materiálu a zadání s ohledem na požadavky kladené na materiál v masivu horniny. Řídicí a napájecí jednotka 2 umožňuje volbu režimu hydraulického napětí tj. lineární a pulzní tlak, generovaného hydraulickým zdrojem 1. Dále lze také volit nastavení různých časových průběhů ve štěpné kapalině, lze zvolit různě rychlé nárůsty a poklesy štěpícího tlaku P2, jeho udržení na zvolené úrovni a je možné vyvolat pulsy o volitelné frekvenci a amplitudě jednotlivých pulsů. Jak již bylo uvedeno dříve, řídicí a napájecí jednotka 2 je vybavena neznázoměnými tlakovými snímači a záznamovým zařízením pro dokumentaci průběhu zkoušky vzorku 14.

Štěpící tlak P2 přiváděný do vzorku 14 přes spodní tlakový přívod 10 a přívodní trubku 16 namáhá slepý vývrt 20, který má v blízkosti geometrického středu zkoušeného vzorku 14 neodcloněnou část - viz část slepého vývrtu 20 s menším průměrem. Zde dochází k přímému hydraulickému zatížení stěn v neodcloněné části slepého vývrtu 20 štěpící kapalinou. Jedná se tedy v podstatě o poměrně zmenšenou simulaci hydraulického štěpení okolí vrtu v reálné situaci. Dosažení mezní hodnoty HFS (Hydraulic Fracture Strenght) pevnosti horninového materiálu zkoušeného vzorku 14 je indikováno propojením vnitřního prostoru slepého vývrtu 20, do kterého je přiváděná štěpící kapalina vykazující štěpící tlak P2, s vnější stěnou vzorku 14, na který působí pozaďový tlak PÍ, který má menší hodnotu než štěpící tlak P2. V konkrétním příkladném provedení

-3CZ 27108 Ul realizace zařízení podle technického řešení byla hodnota štěpícího tlaku P2 49 MPa a hodnota pozaďového tlaku PÍ max. 12,5 MPa. Dojde tedy k vytvoření průběžné trhliny a v důsledku toho i k poklesu štěpícího tlaku P2 a současnému nárůstu pozaďového tlaku Pl, který se projeví únikem vody z odpadového otvoru 13 v plášti 7 zkušební komory 4. Porušení vzorku 14 nově vznikající trhlinou mívá zpravidla i akustický projev.

Jako štěpné médium se běžně používá čistá voda, ale je možné použit i jinou kapalinu s různými příměsemi.

Průmyslová využitelnost

Předložené technické řešení významně zvyšuje možnost experimentů se zatěžováním horninových vzorků tlakem a s prováděním zkoušek mechanické odolnosti hornin v tahu tím, že umožňuje aplikaci pozaďového tlaku pro simulaci tlaku nadložních hornin v in-situ a rozšiřuje možnost zkoušek použitím pulzního štěpícího tlaku s řiditelnou amplitudou a frekvencí.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků, v jehož systému jsou zařazeny zdroj (3) vody s provozním zásobníkem, hydraulický zdroj (1), řídicí a napájecí jednotka (2) a zkušební komora (4), vyznačující se tím, že hydraulický zdroj (1) pro vyvození vysokého tlaku v systému, zkušební komora (4) s v ní umístěným vzorkem (14) a zdroj (3) vody jsou propojeny potrubním systémem (17) sestávající z vysokotlaké části pro rozvod pozaďového tlaku (Pl) a štěpícího tlaku (P2) generovaného hydraulickým zdrojem (1) a nízkotlaké části pro napájení potrubního systému (17) vodou, kde hydraulický zdroj (1) je v komunikačním spojení s řídicí a napájecí jednotkou (2).
2. 2. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle nároku 1, vyznačující se tím, že nízkotlakou část potrubního systému (17) vycházející od zdroje (3) vody k zpětnému ventilu (18) tvoří doplňovací potrubí nízkotlaké vody pro průběžné doplňování vody do systému, kde tato část je uzavíratelná zpětným ventilem (18) k zabránění přenosu vysokého tlaku do nízkotlaké části, přičemž vysokotlaká část potrubního systému (17) vychází samostatně od hydraulického zdroje (1) přes zpětné ventily (18, 18') do zkušební komory (4) pro rozvod štěpícího tlaku (P2) a pozaďového tlaku (Pl).
3. 3. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zkušební komora (4) sestává ze spodní příruby (5) a víka (6), mezi nimiž je svorníky (8) sevřen plášť (7), v němž jsou vytvořeny odpadový otvor (13), odvzdušňovací vývod (12) a tlakový boční přívod (11) pro pozaďový tlak (Pl), přičemž ve spodní přírubě (5) je vytvořen spodní tlakový přívod (10) pro přívod štěpícího tlaku (P2).
4. 4. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků laž3, vyznačující se tím, že mezi vnitřním povrchem pláště (7) a vnějším povrchem vzorku (14) je umístěna pryžová vložka (9).
5. 5. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že ve vzorku (14) je vytvořen slepý vývrt (20) se dvěma různými průměry, kde hlubší vývrt má menší průměr než vývrt ústící do dna vzorku (14).

   -4CZ 27108 Ul
6. 6. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ve vývrtu ústícího do dna vzorku (14) je upevněna přívodní trubka (16) pro přívod štěpícího tlaku (P2) do nestíněné část slepého vývrtu (20).
7. 7. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 6, vy z n a č u j í c í se tí m , že vzorek (14) je upevněn v misce (15).
8. 8. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků laž7, vyznačující se tím, že vzorek (14) je ve zkušební komoře (4) zajištěn tlačnou vložkou (19) umístěnou mezi vrškem vzorku (14) a víkem (6), kde tato tlačná vložka (19) má příslušné vrtání k napojení na odpad (13) a odvzdušňovací vývod (12) vytvořené v plášti (7).
9. 9. Zařízení pro tlakové rozrušování horninových vzorků podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že součástí tlačné vložky (19) je výkyvná opěrná podložka (21) umístěná mezi vršek vzorku (14) a spodek tlačné vložky (19).