RU1778299C

RU1778299C - Method and apparatus for studying deformation and strength properties of rock masses

Info

Publication number: RU1778299C
Application number: SU904877937A
Authority: RU
Inventors: Валерий Авраамович Бирман; Григорий Фомич Перлов; Александр Алексеевич Перегудов; Хен Су Ким
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Буровой Техники
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-11-30

Abstract

Использование: изыскательские работы, определение свойств горных „ пород в геологоразведочных скважинах. Сущность изобретени : стенки скважины нагружают с помощью многокомпонентного прессиометра. Одну из пар пуансонов прессиометра снабжают режущими элементами. При достижении контакта пуансонов со стенками скважины вращают прессиометр и разрушают неровности стенок. Измер ют глубину и усилие резани . Определ ют сопротивление породы резанию,, Дальнейшее нагружение стенок скважины провод т с помощью других пар пуансонов. Эти пуансоны выполнены с радиусом кривизны , равным радиусу дуги, на которой лежат вершины режущих элементов. При нагружении измер ют глубину внедрени пуансонов и давление в гидросистеме. По этим данным определ ют деформационные и прочностные свойства пород массива. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. (ЛUsage: survey work, determination of the properties of rocks in exploration wells. SUMMARY OF THE INVENTION: Well walls are loaded using a multicomponent pressiometer. One of the pairs of punches of the pressiometer is equipped with cutting elements. Upon reaching the contact of the punches with the walls of the well, the pressiometer is rotated and the irregularities of the walls are destroyed. Depth and cutting force are measured. The rock resistance to cutting is determined. Further loading of the borehole walls is carried out using other pairs of punches. These punches are made with a radius of curvature equal to the radius of the arc on which the vertices of the cutting elements lie. During loading, the penetration depth of the punches and the pressure in the hydraulic system are measured. From these data, the deformation and strength properties of the rocks of the massif are determined. 2 s.p. f-ly, 3 ill. (L

Description

Изобретение относитс к изыскательным работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений , св занных с излучением деформируемости и прочности массивов скальных пород и полускальных пород по всей зоне сооружений с помощью геолого-разведочных сква н.The invention relates to survey work in the construction of energy facilities or other structures related to the radiation of deformability and strength of rock masses and semi-rock masses throughout the structure zone using geological exploration wells n.

Известны стандартные испытани керна, отобранного с мест проведени опытов. Эти испытани , определ ющие петрографический состав породы, ее проницаемость, пористость и крепость, не позвол ет судить о деформируемости и прочности пассивов, вмещающих эти породы. Standard tests of core samples taken from test sites are known. These tests, which determine the petrographic composition of the rock, its permeability, porosity and strength, do not allow one to judge the deformability and strength of the passives containing these rocks.

Известен способ изучени .деформационных и прочностных свойств скальных массивов, включающий разрушение неровностей стенок сквакины, их последующее нагружение посредством многокомпонентного прессиометра, измерение глубины внедрени пуансонов и давлени в прессиометре, по которым определ ют упругие и прочностные свойства массива.A known method for studying the deformation and strength properties of rock massifs is the destruction of the unevenness of the walls of the squall, their subsequent loading by means of a multicomponent pressiometer, the measurement of the penetration depth of punches and pressure in the pressiometer, which determine the elastic and strength properties of the massif.

Такой способ вл етс наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату.Such a method is closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result.

Способ осуществл ют устройством дли определени деформационных свойств массивов, включающим корпус, усThe method is carried out by a device for determining the deformation properties of arrays, including a housing,

4 004 00

КTO

ю юyu

тановленные в нем пуансоны и эластичные камеры, размещенные между пуан- сонами и ксфпусом.punches and elastic chambers installed in it, located between punches and xfpus.

Известный способ не позвол ет оп- ределить сопротивление пород в массиве резанию, а также увеличить поверхность контакта пуансонов с породой при возможных несовпадени х диаметров скважины и контактных поверхностей пуансонов.The known method does not allow to determine the resistance of the rocks in the cutting array, as well as to increase the contact surface of the punches with the rock in case of possible discrepancies between the well diameters and the contact surfaces of the punches.

Целью изобретени вл етс повышение информативности способа и повышение достоверности измерений за счет увеличени поверхности контакта пу- ансонов с породой.The aim of the invention is to increase the information content of the method and increase the reliability of measurements by increasing the contact surface of the punches with the rock.

Это достигаетс техническим решением , представл ющим собой новый способ изучени деформационных и прочностных свойств скальных массивов включающий разрушение неровностей стенок скважины, их последующее Hai- ружение посредством многокомпонентного прессиометра, измерение глубины внедрени пуансонов и давлени в прессиометре, по которым определ ют упругие и прочностные свойства массивов , осуществление которого обусловливаетс применением устройства определенной новой конструкции. This is achieved by a technical solution, which is a new way to study the deformation and strength properties of rock masses, including the destruction of bumps in the borehole walls, their subsequent use by means of a multicomponent pressiometer, measurement of the penetration depth of punches and pressure in the pressiometer, which determine the elastic and strength properties of the massifs the implementation of which is determined by the use of a device of a certain new design.

Изобретенный способ отличаетс от известного способа тем,что на контактной поверхности прессиометра устанавливают режущие элементы, разрушение неровностей стенок скважины осуществл ют путем вращени прессиометра измер ют при этом глубину и усилие резани и дополнительно определ ют сопротивление породы резаниюThe inventive method differs from the known method in that cutting elements are mounted on the contact surface of the pressiometer, the borehole wall is destroyed by rotation of the pressiometer, the depth and cutting force are measured and the rock resistance to cutting is additionally determined

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции дл определени деформационных свойств скальных массивов, включающим корпус установленные в нем пуансоны и эластичные камеры, размещенные между пу- ансонами и корпусом.Such a method can be implemented by a device of a new design for determining the deformation properties of rock masses, including a case, punches installed in it, and elastic chambers placed between punches and the case.

Отличие устройства, позвол ют осуществить новый способ, состоит в том что оно снабжено режущими элементами установленными на менее, чем на одной паре пуансонов, а также в том, что радиус контактной поверхности остальных пуансонов равен радиусу, на котсроь лежат вершины режущих элементов .The difference between the device and the new method allows for the fact that it is equipped with cutting elements mounted on less than one pair of punches, and that the radius of the contact surface of the remaining punches is equal to the radius on which the vertices of the cutting elements lie.

На фиг.1 представлено предлагав- мое устройство; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (устройство с двума взаимонезависимыми парами пуансонов,Figure 1 shows the proposed device; figure 2 is a section aa in figure 1 (a device with two mutually independent pairs of punches,

л l

g g

п 5 0n 5 0

е e

55 55

55

1010

00

одна из которых оснащена режущими элементами); на фиг.З - разрез А-А на фиг.1 (устройство с двум взаи- монезав симыми парами пуансонов в расширенной скважине в момент прес- сиометрии).one of which is equipped with cutting elements); in Fig. 3 - section AA in Fig. 1 (a device with two interconnected pairs of punches in an expanded well at the time of presiometry).

Устройство 1 состоит из корпуса 2 с пазами 3, в которых установлены пуансоны k-J с возможностью радиального перемещени , а также эластичные камеры 8-11, размещенные между пуансонами и корпусом и соединенные напорными трубопроводами 12 с командно-измерительным щитом 13. Командно- измерительный щит включает насос , мерную емкость 15, пресс-объемометр 16, вентили 17, манометры образцовые 18.The device 1 consists of a housing 2 with grooves 3, in which kJ punches are installed with the possibility of radial movement, as well as elastic chambers 8-11 located between the punches and the housing and connected by pressure pipelines 12 with a command-measuring board 13. The command-measuring board includes pump, measuring tank 15, press volume meter 16, valves 17, pressure gauges exemplary 18.

Пуансоны 4 и 6 предназначены дл внедрени в стенки скважины при неподвижном прессиометре. Диаметр наружной поверхности этих пуансонов выполн етс большим, чем наружный диаметр корпуса на величину, завис щую от свойств пород в массиве. Чем больше прочность скальных или полускальных пород, слагающих исследуемый массив, и выше устойчивость стенок скважины, тем меньшее различие задаетс между указанными размерами. Прессиометр комплектуетс набором пуансонов с различными значени ми этих диаметров (соответственно высоты ), выполненных таким образом, чтобы в собранном устройстве пуансоны не выходили зе габариты корпуса.The punches 4 and 6 are intended to be inserted into the walls of the well with a stationary pressiometer. The diameter of the outer surface of these punches is larger than the outer diameter of the body by an amount depending on the properties of the rocks in the array. The greater the strength of the rock or semi-rock forming the studied mass and the higher the stability of the borehole walls, the smaller the difference between the indicated sizes. The pressiometer is equipped with a set of punches with different values of these diameters (respectively, heights), made so that in the assembled device the punches do not go beyond the dimensions of the case.

Пуансоны 5 и 7 оснащены режущими элементами с Эти элементы могут быть представлены твердосплавными зубками 19 ,20, имеющими цилиндрический хвостовик дл креплени в гнездах пуансона и породоразрушающую головку с полусферической или иной формой. Элементы по высоте пуансонов устанавливаютс в виде р дов так, чтобы при совмещении проекций элементов на образующую цилиндрической поверхности пуансонов между элементами не оставалось зазоров, образующих на забое непоражаемые участки - воротники. Оси зубков, соответственно гнезд под них направлены к центру кривизны пуансонов , а вершины режущих элементов расположены на радиусе, равном радиусу контактной поверхности ос та ьных пуансонов.Punches 5 and 7 are equipped with cutting elements with These elements can be represented by carbide teeth 19, 20 having a cylindrical shank for fastening in the punch nests and a rock cutting head with a hemispherical or other shape. Elements along the height of the punches are installed in the form of rows so that when combining the projections of the elements on the generatrix of the cylindrical surface of the punches, there are no gaps between the elements forming unaffected areas on the face - collars. The axis of the teeth, respectively, of the nests under them, is directed to the center of curvature of the punches, and the vertices of the cutting elements are located at a radius equal to the radius of the contact surface of the remaining punches.

Режущие элементы могут выполн тьс виде зубьев, выфрезерованныхThe cutting elements can be made in the form of teeth milled

из тела пуансона и -армированных дл повышени износостсйкости наплавкой твердым сплавом.from the body of the punch and -reinforced to increase the wear resistance of hardfacing.

Эластичные камеры служат дл передачи нагрузки на пуансоны с целью вдавливани их в стенки скважины.С этой целью в гидросистему с помощью насоса 1 закаливаетс жидкость. Давление в трубопроводе определ етс по показани м манометров 18, изменение объема закаченной жидкости - по ее уровню в мерной емкости 15, а посто нство давлени в системе обеспечиваетс пресс- тбъемометром 16.The elastic chambers serve to transfer the load to the punches to press them into the walls of the well. To this end, fluid is quenched into the hydraulic system using pump 1. The pressure in the pipeline is determined by the readings of the pressure gauges 18, the change in the volume of the injected fluid is determined by its level in the measuring tank 15, and the constant pressure in the system is provided by a press-gauge 16.

Способ изучени деформационных и прочностных свойств скальных массивов осуществл етс следующим образом.A method for studying the deformation and strength properties of rock masses is carried out as follows.

Устройство, собранное с учетом предварительных сведений о свойствах породы спускаетс в скважину на заданную глубину. Фиксируетс первоначальный объек. жидкости в мерной емкости . С помощью насоса закачиваетс жидкость в эластичные камеры, расширение которых обеспечивает перемеще- ние пуансонов до контакта со стенкой скважины.A device assembled taking into account preliminary information about the properties of the rock is lowered into the well to a predetermined depth. The original object is fixed. liquids in a measured capacity. Using a pump, fluid is pumped into elastic chambers, the expansion of which allows the punches to move to contact with the borehole wall.

Давление в камерах Зч даетс до значени , обеспечивающего плотный контакт пуансонов-штампов с породой за счет см ти микронеровностей (начальное давление 2-3 КПа). По изменению объема жидкости в мерной емкости определ етс диаметр скважины. Разность между наружным диметром установленных пуансонов и замеренным диаметром скважины составл ет величину, на которую должна быть расширена скважина дл получени точной информации о прочностных свойствах массива. В зависимости от этой величины определ етс число проходов резани .которые должны (.быть осуществлены с помощью пуансонов с режущими элементами.Подаетс давление в эластичные камеры ,сообщенные с указанными пуансонами.Вращением прессио- метра при зафиксированном посто нном давлении в камерах обеспечиваетс реза ние - расширение диаметра скважины.Глубина резани за один проход и частота вращени прессиометра выбираютс в зависимости от конкретных условий. Обработка данных с постановкой их в формулы, известные из теории резани материалов, позвол ет определить значени допустимого сопротивлени породы резанию. Диаметр расширенной скважины дополнительно контролируетс The pressure in the chambers Zch is given to a value that ensures tight contact of the punches-dies with the rock due to the wrinkling of microroughnesses (initial pressure 2-3 KPa). By changing the volume of fluid in the measuring tank, the diameter of the well is determined. The difference between the outer diameter of the installed punches and the measured diameter of the well is the amount by which the well must be expanded to obtain accurate information about the strength properties of the array. Depending on this value, the number of cutting passes is determined. Which must (be carried out using punches with cutting elements. Pressure is applied to the elastic chambers communicated with the said punches. By cutting the pressure meter, the constant pressure in the chambers is fixed - cutting expansion of the borehole diameter. The depth of cut in one pass and the rotation speed of the pressiometer are selected depending on the specific conditions. Processing of the data with setting them into formulas known from the theory of cutting mate ialov, allows to determine the permissible resistance value rock cutting. The diameter of the expanded wellbore further controlled

00

при остановке вращени с помощью пуансонов .when stopping rotation with punches.

Исследовани прочностных свойств массива осуществл ютс при неподвиж-- ном устройстве. По завершению исследований замеры повтор ютс в аналогичной пЪследовательности на другой глубине, задаваемой программой работ.Investigations of the strength properties of the array are carried out with a stationary device. Upon completion of the studies, the measurements are repeated in a similar sequence at a different depth specified by the work program.

Использование описанного способа позвол ет увеличить точность информации и количество параметров, определ ющих состо ние породы, благодар увеличению поверхности контакта пуансонов с породой за счет расширени с помощью пуансонов с режущими элементами диаметра скважины до значени , равного диаметру цилиндрической поверхности этих пуансонов, а также определени сопротивлени породы резанию.Using the described method allows to increase the accuracy of the information and the number of parameters that determine the state of the rock, due to the increase in the contact surface of the punches with the rock by expanding the diameter of the borehole with punches with cutting elements to a value equal to the diameter of the cylindrical surface of these punches, as well as determining the resistance breed cutting.

Claims

1. A method for studying the deformation and strength properties of rock mass BOB, including the destruction of bumps in the borehole walls, their subsequent loading by means of a multicomponent pressiometer, measuring the penetration depth of punches and pressure c. a pressiometer, which determine the elastic and strength properties of the array, with the exception that, in order to increase the information content of the method, cutting elements are installed on the contact surface of the pressiometer, the bumps of the boreholes are destroyed by rotation of the pressiometer,

0 depth and cutting force and further determine the resistance of the rock to cutting.

2. A device for studying the deformation and strength properties of rock masses, including a housing, punches installed in it and elastic chambers placed between the punches and the housing, characterized in that, in order to increase the reliability of measurements by increasing the contact surface punches with the breed, it is equipped with cutting elements mounted on at least one pair of punches, and the contact surfaces of the remaining punches are made with a radius of curvature equal to the radius of the arc on which the cutting vertices lie x elements.

0

5

G8Lf i i /

/ xЈ

$.

FIG 2

B

8

J

nineteen