Устройство для профилирования упруго-прочностных характеристик горных пород
PROFILER OF ELASTICALLY STRENGTH CHARACTERISTICS OF ROCKS

Заявляемое изобретение относится к горному делу, а именно к области проведения изыскательских работ, направленных на определение фактических физико-механических характеристик горных пород, в частности, упругих и прочностных характеристик, и может быть использовано при инженерном сопровождении горноизыскательских и геотехнических работ, бурении скважин, проведении операций по гидравлическом разрыву пласта и т.п.
При проведении инженерных расчетов в области горных работ, подземного или наземного строительства требуется знание с высокой точностью и детальностью упруго-прочностных характеристик горных пород в каждом конкретном случае, включая предел прочности при (одноосном) сжатии, модуль упругости и коэффициент трещиностойкости. При бурении скважин появляется возможность охарактеризовать геологические тела, вскрываемые бурением, посредством отбора каменного материала (кернов) при колонковом бурении и его последующего исследования на специализированном оборудовании.
Наиболее простым и доступным способом определения прочностных характеристик горных пород является испытание образцов в лабораторных условиях. Для определения пределов прочности образцов пород применяют прямые и косвенные (упрощенные) методы испытаний, имеющие различный уровень надежности. При прямых методах в образцах горных пород формируются относительно однородные поля напряжений, в которых происходит их разрушение. Пределы прочности определяются отношением разрушающей нагрузки к начальной площади поперечного сечения образцов. Для прямых методов испытаний используются, как правило, образцы горных пород правильной формы с тщательно обработанными торцевыми гранями, на которые передается нагрузка. Однако применение стандартного подхода для детального описания упруго-прочностных свойств горных пород по образцам требует изготовление обширной коллекции образцов. Более того, изготовление образцов требует высокого качества исходного кернового материала (отсутствие нарушений сплошности, и достаточная однородность в объеме), что далеко не всегда обеспечивается на практике. Кроме того, после сплошного разбуривания исходный керновый материал становится непригодным для дальнейших исследований, а отобранные образцы подвергаются разрушающим тестам.
Наконец, отбор образцов по визуальному принципу, исходя из соображений технологичности изготовления, не дает никаких оснований считать, что полученная керновая коллекция является представительной и в полной мере отображает упруго-прочностные свойства исходного кернового материала, поскольку нет никакого способа сопоставить характеристики отобранных образцов с не разбуренными участками. Более того, нет никакого способа гарантировать, что в отобранной керновой коллекции представлено все разнообразие свойств оригинального керна. Отметим, что наиболее проблемные участки - низко консолидированные или трещиноватые горные породы, как раз требующие детального изучения упруго-прочностных свойств, оказываются недоступными изучению, поскольку из них невозможно изготовить образцы приемлемого качества.
Кроме того, проведение исследований образцов в лабораторных условиях требует тщательной упаковки, транспортировки и хранения образцов в специальных условиях, поскольку некоторые горные породы подвержены негативному влиянию окружающей среды (температура, влажность, и т.д.), а это значительно усложняет и удорожает процедуру, и кроме того, не гарантирует сохранность кернового материала и неизменность физико-механических характеристик. Более того, при отборе кернов далеко не всегда достигается полный вынос, а керн состоит из множества фрагментов. Это приводит к тому, что всегда есть риск смещения фрагментов друг относительно друга, перестановки или утери на операциях от скважины до исследовательского стенда. Поэтому важно, как можно быстрее отобранный керн направить на исследования прямо на буровой на месторождении.
Поэтому велика потребность в устройстве определения упруго-прочностных свойств горных пород, которое бы обеспечивало:
- одновременное определение на одном образце высоко детальных профилей предела прочности при (одноосном) сжатии, модуля упругости и коэффициента трещиностойкости;
- получение упруго-прочностных характеристик горных пород непосредственно в месте отбора, не требуя предварительной упаковки, транспортировки и длительного хранения, и обеспечивая при этом точную координатную привязку результатов исследований к разрезу;
- снижение временных затрат на определение упруго-прочностных характеристик горных пород;
- детальное и представительное механическое расчленение исходного кернового материала, т.е. применимость к керновому материалу любого качества, независимо от его характеристик, слошности и/или однородности в объеме;
- получение упруго-прочностных характеристик материала путем наименьшего воздействия на исследуемый образец, с возможностью его дальнейшего использования для других исследований.
Известно устройство для профилирования упруго-прочностных характеристик горных пород, описанное в руководстве (Aydan О., Time-dependency in rock mechanics and rock engineering, CRC Press, 2017, стр. 9), включающее держатель образца, силонагружающий узел, и блок измерения усилий и деформаций на образце. Указанное устройство позволяет определять упруго-прочностные характеристики горных пород, включая предел прочности при (одноосном) сжатии, модуль упругости и коэффициент трещиностойкости на отдельных образцах.
Известное устройство при этом имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, устройство не способно одновременно определять все три упруго-прочностных характеристики, поскольку для определения предела прочности при (одноосном) сжатии и модуля упругости требуются образцы одного типа - сплошной цилиндр с определенным соотношением сторон, а для определения коэффициента трещиностойкости требуются образцы другого типа - сплошной цилиндр с пропилом.
Во-вторых, для получения упруго-прочностных характеристик горных пород с высокой детальностью требуется сплошное разбуривание исходного материала с изготовлением коллекции образцов для исследований, что требует больших временных и материальных затрат на упаковку, доставку и хранение указанных образцов. Кроме того, при сплошном разбуривании и проведении разрушающих испытаний, керновый материал становится полностью непригодным для каких-либо дальнейших исследований.
В-третьих, изготовление образцов требуемого качества не всегда возможно из-за нарушений сплошности и/или неоднородностей в объеме исходного кернового материала, или неприменимо к низко консолидированным горным породам. Это ограничивает возможности построения высоко детальных профилей упруго-прочностных констант.
В-четвертых, невозможно детальное и представительное механическое расчленение исходного кернового материала, поскольку возможность отбора образцов ограничена качеством или характеристиками кернового материала.
При этом, устройство не позволяет проводить исследования непосредственно в месте отбора, и требует предварительной упаковки, транспортировки и хранения образцов перед исследованиями, что не обеспечивает координатную привязку образцов к исходной местности, т.к. разные характеристики измеряются на разных образцах.
Известно устройство для профилирования упруго-прочностных характеристик горных пород (см. патент РФ №2548929, кл. G01N 3/46, G01N 3/54, 2015 г.), взятое в качестве прототипа, которое состоит из узла крепления и контролируемого перемещения образца, и узла для измерения продольной и поперечной компонент усилия разрушения при резке, включающее резец и двухкомпонентное силоизмеряющее устройство.
Указанное устройство позволяет, во-первых, проводить профильные измерения только прочностных констант исследуемого образца, а именно координатную зависимость предела прочности при (одноосном) сжатии с высокой детальностью.
Во-вторых, устройство позволяет получать упруго-прочностные характеристики горных пород независимо от их свойств, характеристик сплошности и/или однородности.
В-третьих, обеспечивает детальное и представительное механическое расчленение исходного кернового материала независимо от его качества и/или характеристик.
В-четвертых, обеспечивает получение упруго-прочностных характеристик материала путем наименьшего воздействия на исследуемый образец, сохраняя возможность его дальнейшего использования для других исследований.
Однако известное устройство при этом имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, невозможность одновременного определения на одном образце профилей предела прочности при (одноосном) сжатии, модуля упругости и коэффициента трещиностойкости.
Во-вторых, не позволяет получать упруго-прочностные характеристики горных пород непосредственно в месте отбора, соответственно требуется предварительная упаковка, транспортировка и длительное хранение кернового материала, что часто сопряжено со снижением качества материала и потерей точности результатов исследования и координатной привязки результатов исследований к геологическому разрезу.
Технический результат настоящего технического решения заключается в устранении указанных недостатков известного устройства, а именно, в сохранении профиля предела прочности при (одноосном) сжатии образца с высокой детальностью, но с обеспечением одновременно с этим и на этом же образце дополнительных высоко детальных профилей модуля упругости и коэффициента трещиностойкости, причем измерение упруго-прочностных характеристик горных пород возможно непосредственно в месте их отбора, что обеспечивает точную координатную привязку образца к разрезу.
Указанный технический результат в устройстве для профилирования упруго-прочностных характеристик горных пород, включающем узел крепления и контролируемого перемещение образца, и узел для измерения продольной и поперечной компонент усилия разрушения при резке, включающее резец и двухкомпонентное силоизмеряющее устройство, достигается тем, что узел крепления и контролируемого перемещения образца дополнительно включает датчик положения и датчик скорости перемещения образца, а двухкомпонентное силоизмеряющее устройство и датчик скорости перемещения подключено к блоку цифровой обработки сигналов, включающему N цифровых сигнальных процессоров, входы которых подключены к двухкомпонентному силоизмеряющему устройству и датчику скорости перемещения образца, выходы сигнальных процессоров вместе с датчиком положения образца подключены к N+1 входам мультиплексора, а выход мультиплексора соединен со входом ЭВМ (электронно-вычислительной машины).
Благодаря введению в состав устройства датчиков положения и скорости образца, а также блока сигнальной обработки данных, включающего набор цифровых сигнальных процессоров и мультиплексор, заявляемое устройство позволяет проводить высокоточную и синхронную обработку сигналов от силоизмеряющего устройства и датчика скорости перемещения образца, а мультиплексор синхронизует результаты обработки сигналов с положением образца, обеспечивая одновременное определение на одном образце профилей предела прочности при (одноосном) сжатии, модуля упругости и коэффициента трещиностойкости, а также дает возможность проведения исследований непосредственно в месте отбора образца, что исключает упаковку, транспортировку и длительное хранение кернового материала и тем самым сохраняет исходное качество образца, обеспечивая высокую точностью измерений и координатную привязку результатов исследований к геологическому разрезу, что не имеет аналогов среди известных устройств для профилирования упруго-прочностных характеристик горных пород, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1-9 представлены рисунки, поясняющие суть заявляемого изобретения.
На фиг. 1 приведена блок-схема заявляемого устройства, включающая его электромеханическую часть и электронно-измерительную. Электромеханическая часть устройства включает узел крепления и контролируемого перемещения образца, состоящий из жесткой П-образной рамы 1, на которой закреплен электрический привод 2, который приводит в движение станину 3, на которой посредством скобы 4 закреплен исследуемый образец 5. Для обеспечения контролируемого перемещения образца в состав узла введены датчики положения образца 6 и датчик скорости перемещения образца 7, присоединенные к станине 3, а к раме 1 присоединен резец 8 и двухкомпонентное силоизмеряющее устройство 9, с выхода которого на вход электронно-измерительной части по линиям 10 и 11 поступают два сигнала о продольной и поперечной компонентах усилия разрушения образца, по линии 12 - сигнал о скорости перемещения образца, а по линии 13 - сигнал с датчика положения образца.
Электронно-измерительная часть устройства включает: блок цифровой обработки сигналов 14, включающий N цифровых сигнальных процессоров 15а, 15б, 15n, на входы которых по сигнальной шине 16, поступают сигналы 10а, 10б, 10n, 11а, 11б, 11n, 12а, 12б, 12n, а с выходов цифровых сигнальных процессоров 15а, 15б, 15n на вход мультиплексора 17 поступают сигналы 18а, 18б, 18n; на еще один вход мультиплексора 17 поступает сигнал 13 с датчика положения 6 образца 5, при этом выходная шина 19 мультиплексора 17 подключена к входу ЭВМ 20.
На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема цифрового сигнального процессора 15а (15б, 15n), включающего: системную шину 21, к которой подключены аналого-цифровые преобразователи 22а, 22б и 22n, арифметико-логическое устройство 23, оперативное запоминающее устройство 24, постоянное запоминающее устройство 25 и блок ввода-вывода 26.
На фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема мультиплексора 17, включающего: системную шину 27, к которой подключены N блоков ввода 28а, 28б и 28n, и дополнительный (N+1)-ый блок ввода 29, а также блок вывода 30.
На фиг. 4 приведена принципиальная электрическая схема ЭВМ 20, включающая: системную шину 31, к которой подключены оперативной запоминающее устройство 32, блок ввода-вывода 33, постоянное запоминающее устройство 34, центральное процессорное устройство 35, блок ввода-вывода 36 (клавиатура, мышь) и блок ввода-вывода 37 (для подключение периферийных устройств - монитора, графопостроителя).
На фиг. 5 приведена конструкция (фиг. 5а) и электрическая схема (фиг. 5б) двух-компонентного силоизмеряющего устройства 9. Конструкция устройства 9 (фиг. 5а) включает элемент жесткости 38, который при помощи крепежных отверстий 39 и 40 закреплен на П-образной раме 1. В элементе жесткости 38 выполнены пропилы 41а и 41б, обеспечивающие независимое измерение продольной и поперечной компонент усилий на резце 8 за счет тензодатчиков 42а и 42б, расположенных в парных окнах 43а и 43б и тензодатчиков 44а и 44б, расположенных в парных окнах 45а и 45б. Электрическая схема (фиг. 5б) двухкомпонентного силоизмеряющего устройства 9 показывает включение тензодатчиков 42а, 42б и тензодатчиков 44а, 44б в двух мостовую схему совместно с балансными резисторами 42в, 42 г и 44в, 44г. Питание обоих мостов осуществляется постоянным напряжением по шине 46, а сигналы с обоих мостов подаются по сигнальным линиям 10 и 11 на входы цифровых сигнальных процессоров 15.
На фиг. 6 приведена сигнальная диаграмма, показывающая работу цифрового сигнального процессора 15а, включающая исходный временной сигнал продольной компоненты усилия 47а на резце 8 и сигнал после выделения огибающей максимумов 48а.
На фиг. 7 приведена сигнальная диаграмма, показывающая работу цифрового сигнального процессора 15б, включающая сигнал после дифференцирования по времени 49а исходного временного сигнала продольной компоненты усилия 47а, и выделения положительной полярности 50а.
На фиг. 8а-8в приведены сигнальные диаграммы, показывающие работу цифрового сигнального процессора 15n, включающие исходный временной сигнал продольной компоненты усилия 51а, исходный временной сигнал поперечной компоненты усилия 51б, и сигналы после выделения огибающей максимумов продольной компоненты 52а и огибающей максимумов поперечной компоненты 52б, и среднеквадратичное значение 53.
На фиг. 9а-9в приведены сигнальные диаграммы, показывающие работу мультиплексора, включающие результирующий профиль предела прочности при (одноосном) сжатии 54а, профиль модуля упругости 54б и профиль коэффициента трещиностойкости 54в.
Работу заявляемого технического решения рассмотрим на рисунках, предствленных на фиг. 1-9. Исследуемый образец 5 помещают в узел крепления и контролируемого перемещения образца (см. фиг. 1), а именно, посредством скобы 4 его закрепляют на подвижной станине 3, которая приводится в движения с помощью электрического привода 2, закрепленного на жесткой П-образной раме 1, к верхней части которой присоединен узел для измерения продольной и поперечной компонент усилия разрушения образца при резке, включающий резец 8 и двухкомпонентное силоизмеряющее устройство 9. С подвижной станиной 3 соединены датчики положения образца 6 и скорости его перемещения 7.
Образец 5 приводится в движение подвижной станиной 3, а резец 8 при этом погружается на определенную глубину. На резце 8 возникает усилие, которое измеряется с помощью двухкомпонентного силоизмеряющего устройства 9 (см. фиг. 5), сигнал продольной и поперечной компонент усилия резца 8 подаются на общую сигнальную шину 16 посредством сигнальных линий 10 и 11. Также к общей сигнальной шине 16 подключен датчик скорости перемещения образца 7 посредством сигнальной шины 12. Сигнальная шина 16 формирует независимые сигнальные линии: 10а, 11а и 12а; 10б, 11б и 12б; 10n, 11n и 12n. Каждая из указанных сигнальных линий поступает соответственно на входы цифровых сигнальных процессоров 15а, 15б, 15n, с выходов которых сигналы 18а, 18б, 18n поступают на входы мультиплексора 17, который подключен к входу ЭВМ 20.
Работу двухкомпонентного силоизмерящего устройства 9 рассмотрим с использованием фиг. 5. Усилия на резце 8 передаются на элемент жесткости 40, содержащий пропилы 41а и 41б, обеспечивающие независимое измерение продольной и поперечной компонент усилий на резце 8. Сигналы о механических нагрузках выдают две пары тензорезисторов 42а и 42б и, соответственно, 44а и 44б. Указанные тензорезисторы, включенные вместе с балансными резисторами 42в, 42г и 44в, 44г по двух мостовой схеме формируют сигналы 10 и 11, которые пропорциональны продольному и поперечному компонентам усилий на резце 8.
Рассмотрим работу цифровых сигнальных процессоров на примере одного из них - 15а (см. фиг. 2). Сигналы 10а и 11а продольной и поперечной компоненты усилия на резце 8, а также сигнал о скорости перемещения образца 12а подаются на входы трех аналого-цифровых преобразователей 22а, 22б и 22n цифрового сигнального процессора 15а, а их выходы подключены в системной шине 21. Далее арифметико-логическое устройство 23 производит над оцифрованными данными набор арифметических действий в соответствии с последовательностью команд, записанных в постоянном запоминающем устройстве 25, с использованием оперативного запоминающего устройства 24 для хранения операндов и результатов выполнения команд. Результат выполнения программы из постоянного запоминающего устройства 25 подается на блок ввода-вывода 26, подключенный к сигнальной шине 18а.
Работу мультиплексора 17 рассмотрим с использованием фиг. 3. Сигналы с выходов цифровых сигнальных процессоров 15а, 15б и 15n с помощью сигнальных линий 18а, 18б и 18n подаются на входы блоков ввода-вывода 28а, 28б и 28n, подключенных к системной шине 27, к которой также подключено дополнительное устройство ввода-вывода 29 на вход которого подается сигнал датчика положения 6 по сигнальной линии 13. Таким образом, четыре временных сигнала, в том числе сигнал положения, преобразуются на мультиплексоре в набор из трех профилей, т.е. координатных зависимостей.
Для более точного понимания работы устройства необходимо рассмотреть работу цифрового сигнального процессора 15а с использованием сигнальной диаграммы на фиг. 6, включающей исходный временной сигнал продольной компоненты усилия 47а и сигнал после выделения пиковой огибающей 48а. Из сигнальной диаграммы становится ясно, что процесс взаимодействия резца с исследуемым образцом состоит из последовательных участков набора усилия (упруго-пластический участок деформирования), которые заканчиваются разрушением материала и сбросом усилия. Поэтому, наблюдаемые пиковые значения на записанной кривой усилия разрушения (продольная компонента) отвечают пределу прочности при (одноосном) сжатии [Richard, Thomas, Fabrice Dagrain, Edmond Poyol, и Emmanuel Detournay. «Rock Strength Determination from Scratch Tests». Engineering Geology 147-148 (октябрь 2012 г.): 91-100]. Таким образом, подав сигнал продольной и поперечной компоненты усилия на резце на цифровой сигнальный процессор 15а и выполнив обработку согласно одной из следующих формул:
t
UCS - предел прочности при (одноосном) сжатии, {F} - продольная компонента усилия (пиковое значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца;
t
n
n
UCS - предел прочности при (одноосном) сжатии, {F} - продольная компонента усилия (пиковое значение), {F} - поперечная компонента усилия (пиковое значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца, k - вертикальная жесткость силоизмеряющего устройства;
t
n
n
t
UCS - предел прочности при (одноосном) сжатии, {F} - продольная компонента усилия (пиковое значение), {F} - поперечная компонента усилия (пиковое значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца, k - вертикальная жесткость силоизмеряющего устройства, μ - продольный коэффициент трения резца по образцу; мы получаем временной сигнал, отвечающий пределу прочности при (одноосном) сжатии, а при синхронизации с сигналом от датчика положения 6 на мультиплексоре 17, будем иметь вычисленный ЭВМ 20 профиль предела прочности при (одноосном) сжатии 54а (см. фиг. 9а).
Аналогичным образом рассмотрим работу цифрового сигнального процессора 15б с использованием сигнальной диаграммы на фиг. 7, включающей исходный сигнал временной продольной компоненты усилия 49а и сигнал после дифференцирования и выделения положительной полярности 50а. Из сигнальной диаграммы становится ясно, что процесс резки материала состоит из последовательных участков набора усилия (упруго-пластический участок деформирования), которые заканчиваются разрушением материала и сбросом усилия. Поэтому производная продольной компоненты усилия на резце по координате соответствует модулю упругости [Schei, G., Е. Fjaer, Е. Detournay, С.J. Kenter, G.F. Fuh, F. Zausa, и others. «The scratch test: an attractive technique for determining strength and elastic properties of sedimentary rocks». В SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers, 2000. SPE-63255-MS]. Таким образом, подав сигнал продольной и поперечной компоненты усилия на резце на цифровой сигнальный процессор 15б и выполнив обработку согласно одной из следующих формул:
t
t
YM - модуль упругости, ∂F/∂t - производная продольного усилия по времени (мгновенное значение), V - скорость перемещения образца (мгновенное значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца;
t
n
t
n
YM - модуль упругости, ∂F/∂t - производная продольного усилия по времени (мгновенное значение), F - поперечная компонента усилия (мгновенное значение), V - скорость перемещения образца (мгновенное значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца, k - вертикальная жесткость силоизмеряющего устройства;
t
t
n
t
n
t
YM - модуль упругости, ∂F/∂t - производная продольной компоненты усилия по времени (мгновенное значение), ∂F/∂t - производная поперечной компоненты усилия по времени (мгновенное значение), F - поперечная компонента усилия (мгновенное значение), V - скорость перемещения образца (мгновенное значение), w - ширина резца, d - глубина погружения резца, k - вертикальная жесткость силоизмеряющего устройства, μ - продольный коэффициент трения резца по образцу; мы получаем временной сигнал, отвечающий модулю упругости, а при синхронизации с сигналом от датчика положения 6 на мультиплексоре 17, будем иметь вычисленный ЭВМ 20 профиль моду-ля упругости 54б (см. фиг. 9б).
Аналогичным образом рассмотрим работу цифрового сигнального процессора 15n с использованием сигнальной диаграммы на фиг. 8, включающей исходный временной сигнал продольной компоненты усилия 51а, исходный временной сигнал поперечной компоненты усилия 51б, и сигналы после выделения пиковой составляющей продольной компоненты 52а и пиковой поперечной компоненты 52б, а также средне-квадратичное значение 53. Из сигнальной диаграммы становится ясно, что процесс взаимодействия резца в исследуемым образцом состоит из последовательных участков набора усилия (упруго-пластический участок деформирования), которые заканчиваются разрушением материала и сбросом усилия. Поэтому наблюдаемые пиковые значения на записанной кривой усилия разрушения (продольная и поперечная компонента) отвечают коэффициенту трещиностойкости [Akono, Ange-Therese, и Franz-Josef Ulm. «Scratch Test Model for the Determination of Fracture Toughness». Engineering Fracture Mechanics 78, вып. 2 (январь 2011 г.): 334-42]. Таким образом, подав сигнал продольной и поперечной компоненты усилия на резце на цифровой сигнальный процессор 15n и выполнив обработку согласно одной из следующих формул:
IC
t
n
K - коэффициент трещиностойкости, w - ширина резца, d - глубина погружения резца при скретч-тесте, {F} - продольна компонента усилия (пиковое значение), {F} - поперечная компонента усилия (пиковое значение);
IC
t
n
n
n
K - коэффициент трещиностойкости, w - ширина резца, d - глубина погружения резца при скретч-тесте, {F} - продольна компонента усилия (пиковое значение), {F} - поперечная компонента усилия (пиковое значение), F - поперечная компонента усилия (мгновенное значение), k - вертикальная жесткость силонагружающего устройства;
IC
t
n
n
n
t
K - коэффициент трещиностойкости, w - ширина резца, d - глубина погружения резца при скретч-тесте, {F} - продольна компонента усилия (пиковое значение), {F} - поперечная компонента усилия (пиковое значение), F - поперечная компонента усилия (мгновенное значение), k - вертикальная жесткость силонагружающего устройства, μ- продольный коэффициент трения резца по образцу; получим временной сигнал, отвечающий коэффициенту трещиностойкости, а при синхронизации с сигналом от датчика положения 6 на мультиплексоре 17 будем иметь вычисленный ЭВМ 20 профиль коэффициента трещиностойкости 53.
n
t
Следует отметить, что точность результатов профилирования предела прочности при (одноосном) сжатии исследуемого образца повышается при совместном (одновременном) использовании формул (1), (2) и (3), однако для применения формулы (2) требуется знание характеристики вертикальной жесткости k силоизмеряющего устройства, а для формулы (3) требуется знание коэффициента трения μ резца по образцу.
n
t
Аналогичным образом, точность результатов профилирования характеристик исследуемого образца повышается при совместном (одновременном) использовании формул (4), (5) и (6), однако для применения формулы (5) требуется знание характеристики вертикальной жесткости силоизмеряющего устройства k, а для формулы (6) требуется знание коэффициента трения μ резца по образцу.
n
t
Аналогичным образом, точность результатов профилирования характеристик исследуемого образца повышается при совместном (одновременном) использовании формул (7), (8) и (9), однако для применения формулы (8) требуется знание характеристики вертикальной жесткости силоизмеряющего устройства k, а для формулы (9) требуется знание коэффициента трения μ резца по образцу.
n
t
Следует отметить, что жесткость силоизмеряющего устройства k является фиксированной величиной, зависящей от конструкции и характеристик материала, из которого изготовлена рама жесткости силоизмеряющего устройства, и подлежит прямым измерениям, а коэффициент трения μ резца по образцу зависит от типа горной породы, и также подлежит прямым измерениям перед проведением профильных исследований.
n
t
Таким образом, полученные профили предела прочности при (одноосном) сжатии, модуля упругости и трещиностойкости необходимо сопоставить с определением на стандартных образцах, выпиленных из исследуемого образца, для проверки точности восстановления и внесения необходимых корректировок в константы k и μ, например, методом множественной регрессии с использованием формул (1)-(8) и измерений на стандартных образцах.
1/2
Для проверки работоспособности заявляемого технического устройства был собран лабораторный стенд, а в качестве исследуемого образца использовался полноразмерный керн, отобранный при бурении нефтегазовой скважины, образец длиной 1000 мм и диаметром 100 мм. Для осуществления контролируемого перемещения образца использовался фрезерный станок 6Т83Г, оснащенный измерительной головкой с резцом и двухкомпонентным силоизмерительным устройством на базе тензометрической системы собственного производства (см. фиг. 5). Силоизмеряющее устройство включает основание из закаленной стали твердостью 55 HRC, узел для фиксации и центровки прилагаемого усилия, крепление которого осуществляется с помощью винтового соединения с резьбой М4. Мостовые схемы собраны из константановых фольговых тензорезисторов номиналом 350 Ом. Глубина заглубления резца составляла 0,4 мм при угле атаки резца 75°, и скорости подачи образца 100 мм/мин. Диапазон измерения силы F: 0-2000 Н с разрешающей способностью 0,01 Н. Реальные усилия на резце варьировались в диапазоне 100-300 Н при фактических пределах прочности 50-150 МПа, модулей упругости 30-50 ГПа и коэффициентах трещиностойкости 1-10 МПа*м соответственно.
В качестве цифровых сигнальных процессоров использовалась модель ADSP SC-573 производства Analog Devices, обладающая 8-канальным 12-битным АЦП с частотой семплирования до 192 кГц, вычислительным ядром с тактовой частотой 450 МГц и кеш-памятью L1/L2-уровней 32/256 Кб, контроллером интерфейса USB 2.0. В качестве мультиплексора использовался 4-портовый USB-хаб на основе контроллера USB2504. В качестве ЭВМ использовался сенсорный панельный компьютер Aplex ARCHMI, оснащенный процессором Intel Celeron N2930, ОЗУ 4 Гб DDR3, HDD 500 Гб SATA, Видео GMA 3600 с 10 дюймовым сенсорным экраном, периферийными интерфейсами 2xRS232, 2xUSB2.0, 2xLAN 1 Гбит/с, 1xAudio.
В качестве датчика скорости перемещения использовался холловский датчик вращения с аналоговым выходом ST420, установленный на вал устройства подачи, сигнал пропорционален скорости вращения, а, следовательно, и скорости перемещения образца. В качестве датчика положения использовался инкрементный фотоэлектрический датчик угла поворота АР58 с USB-интерфейсом, также установленный на вал устройства подачи.