УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНЕ

Полезная модель относится к горному делу, а именно к приборам определения свойств горных пород.
Известно устройство для измерения свойств горных пород в скважинах приконтурного массива выработок [1], включающее в себя измерительную головку, содержащую гидроцилиндр, нагрузочный поршень со штоком, оканчивающимся пуансоном (в действительности являющимся индентором), взаимодействующим с горной породой, при этом шток нагрузочного поршня выполнен конусным на участке взаимодействия со штоком измерителя линейных перемещений.
Недостатком устройства [1] является общая конструктивная сложность и невозможность его использования при определении свойств высоко крепких пород ввиду невозможности получения больших усилий на инденторе.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является погружной измеритель крепости горных пород [2]. Данное устройство состоит из гидроцилиндра, нагрузочного поршня со штоком, оснащенным индентором, при этом гидроцилиндр выполнен с тремя концентрическими полостями: входной, кольцевой и напорной, и оснащен дополнительным бесштоковым поршнем с двумя цилиндрическими поверхностями, взаимодействующими с входной и кольцевой полостями гидроцилиндра, а между кольцевой полостью под дополнительным бесштоковым поршнем и напорной полостью нагрузочного поршня со штоком обеспечена гидравлическая связь посредством канала.
Недостатком устройства [2] является общая конструктивная сложность, заключающаяся в использовании уплотнительных колец на штоке нагрузочного поршня, а также наличии дополнительного рукава подачи рабочей жидкости для возврата устройства в исходное положение, предшествующее началу проведения измерения.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства без ухудшения его технических характеристик.
Решение задачи достигается тем, что предлагается устройство для определения прочности горных пород в скважинах, включающее гидроцилиндр с тремя концентрическими полостями, бесштоковым и нагрузочным поршнями, при этом вокруг штока нагрузочного поршня между корпусом гидроцилиндра и нагрузочным поршнем размещена возвратная пружина.
Предлагаемое устройство для определения прочности горных пород в скважинах показано на чертеже.
Оно состоит из корпуса гидроцилиндра 1 с тремя концентрическими полостями: входной A, кольцевой B и напорной C. Бесштоковый поршень 2 своими цилиндрическими поверхностями D и E взаимодействует с поверхностью входной A и кольцевой B полостей соответственно. Нагрузочный поршень 3 со штоком 4 помещается в напорной полости C и оснащен индентором 5, взаимодействующим с горной породой 6. Вокруг штока 4 между корпусом гидроцилиндра 1 и нагрузочным поршнем 3 размещена возвратная пружина 7. Кольцевая полость B имеет гидравлическую связь с напорной полостью C через канал 8. Канал 9 предназначен для подвода рабочей жидкости во входную полость A гидроцилиндра.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Устройство для определения прочности горных пород в скважинах погружается с помощью штанги в скважину на заданную глубину, на которой необходимо определить прочность пород. Рабочая жидкость через канал 9 подается во входную полость A гидроцилиндра 1, что приводит к перемещению бесштокового поршня 2 вверх, вследствие чего жидкость, находящаяся в кольцевой полости B, перегоняется в напорную полость C через канал 8, воздействует на нагрузочный поршень 3 и приводит его в движение, вследствие чего осуществляется сжатие пружины 7. Посредством перемещения нагрузочного поршня 3 осуществляется воздействие индентора 5, прикрепленного к штоку 4, на горную породу 6 с усилием P. Регистрация момента разрушения горной породы 6 индентором 5 осуществляется по падению давления жидкости во входной полости A.
Возврат бесштокового поршня 2 и нагрузочного поршня 3 в положение, предшествующее началу проведения измерения, осуществляется посредством сброса давления во входной полости A, что приводит к перемещению нагрузочного поршня 3 в обратном направлении за счет разжатия возвратной пружины 7, вытеснению жидкости из напорной полости C через канал 8 в кольцевую полость B и перемещению бесштокового поршня 2 в исходное положение.
Конструкция предлагаемого устройства для определения прочности горных пород в скважинах позволяет достигать усиления нагрузки, с которой осуществляется воздействие индентора на горную породу, по сравнению с давлением подводимой жидкости.
Принцип усиления, лежащий в основе предлагаемого измерителя можно пояснить следующим образом.
1
2
3
Бесштоковый поршень в полости A имеет площадь сечения S, а в кольцевой полости B - площадь S, и площадь нагрузочного поршня равна S.
0
0
1
1
2
1
0
2
При подаче жидкости в полость A под давлением q на поршень 2 будет воздействовать усилие q·S. Это усилие уравновесится силой q·S, где q -давление, возникающее в кольцевой полости B, q·S, откуда
1
Рассматривая равновесие поршня 3 со штоком 4 под действием давления q и силы сопротивления внедрению индентора P, можно записать, что
1
Подставляя в (2) давление q из (1), найдем, что
,
2
1
3
но так как S=S-S, то окончательно получим
3
1
2
3
Из приведенного соотношения видно, что при стремлении площади Sк площади S, усилие P теоретически может достигать бесконечных величин, что позволяет изменением площадей S и S достигнуть на инденторе усилий, гарантированно достаточных для внедрения индентора во все практически возможные к исследованию горные породы.
Источники информации:
1. Патент на изобретение RU 2230904 C2
2. Патент на изобретение RU 2433266 C1