УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД БУРЕНИЕМ, И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
DEVICE TO RECORD ELECTROMAGNETIC RADIATION ARISING DURING DAMAGE OF ROCKS BY DRILLING, AND METHOD OF ITS APPLICATION

Изобретение относится к области горного дела и предназначено для контроля разрушения образцов горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния.
Известны устройства для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при деформировании и трещинообразовании горных пород - патенты РФ NN 2006884, 2085736, 2155973, 2172005.
Недостатками данных устройств являются низкая чувствительность и невозможность ее варьирования в зависимости от условий эксперимента, невозможность регистрации постоянной составляющей тока. В устройстве по патенту РФ N 2085736 невозможна регистрация электрической составляющей электромагнитного излучения. В устройстве по патенту РФ N 2172005 нагружение образца возможно только сжатием.
Известны стенды для исследования электромагнитного излучения деформируемых до разрушения твердых тел - патенты РФ NN 2190203, 2204128.
Недостатками данных стендов является невозможность оценки влияния анизотропии свойств образца на величину регистрируемого электромагнитного излучения, тип нагружения образца по принципу отличается от бурения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению является стенд для исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела, например образца горной породы [патент РФ N2253098, G01N 3/08, G01N 27/00, опубл. 27.05.2005 г.], включающий заключенные в электромагнитный экран конденсаторный преобразователь электромагнитного излучения, нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, связанный с заземленным основанием, и первый и второй металлические стержни, противоположно установленные в осевой полости металлического корпуса. При этом первый металлический стержень установлен с возможностью поступательного движения, датчик силы, систему регистрации, включающую усилители, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, и экранированные кабели. Металлический корпус нагрузочного устройства выполнен в виде пустотелого кругового цилиндра, который одновременно является первой обкладкой конденсаторного преобразователя электромагнитного излучения. Первый и второй металлические стержни нагрузочного устройства выполнены в форме болтов и установлены в осевых отверстиях соответственно первой и второй центрирующих втулок нагрузочного устройства, имеющих резьбу по внешнему и внутреннему диаметрам и установленных со стороны имеющих резьбу по внутреннему диаметру концевых участков металлического корпуса нагрузочного устройства. Первая центрирующая втулка нагрузочного устройства выполнена из металла, а вторая - из диэлектрика, например эбонита, и имеет форму болта, причем между установленными в пустотелом круговом цилиндре нагрузочного устройства первым и вторым металлическими стержнями последовательно размещены датчик силы в металлическом корпусе, промежуточная пластина и деформируемое твердое тело. Первый и второй металлические стержни установлены с возможностью поступательного движения путем поворота их головок, причем конец второго из них, размещенного со стороны деформируемого твердого тела, имеет форму конического индентора, при этом второй металлический стержень служит второй обкладкой конденсаторного преобразователя.
Недостатками данного устройства являются возможность проведения регистрации электромагнитного излучения только в лабораторных условиях и низкий уровень автоматизации эксперимента. Кроме того, конструктивные особенности устройства позволяют воздействовать на образец только сжимающими нагрузками.
Известны способы исследования и регистрации электромагнитного излучения деформируемых твердых тел - патенты РФ NN 2172005, 2253098, 2190203
Недостатками вышеуказанных способов являются применения способа нагружения образца отличного по принципу бурения, отсутствие возможности регистрации постоянной составляющей электрического тока, использование аппаратуры с высоким уровнем шумов.
Наиболее близким по сущности к заявленному является способ для исследования электромагнитного излучения, деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня [патент РФ N 2204128, кл. G01N 27/60, G01N 3/20, опубл. 10.05.2003 г.], включающий установку его на стенде, использование емкостного датчика, одна из обкладок которого выполнена в виде пластины, установленной на основании стенда, и соединена с системой регистрации, а другая - заземлена. Деформирование упомянутого стержня путем приложения к верхнему его концу внешней нагрузки с помощью нагрузочного устройства, включающего подвижную опору с гнездом для размещения верхнего конца деформируемого стержня и установленную на основании стенда неподвижную опору с гнездом для размещения нижнего конца этого стержня, преобразование с помощью указанного емкостного датчика возникающего при этом сигнала электромагнитного излучения деформируемого стержня и регистрацию его системой регистрации. В качестве другой обкладки емкостного датчика используют другую пластину, причем пластины установлены на основании стенда через изолирующие прокладки. При этом деформируемый стержень располагают между обкладками емкостного датчика, после чего к верхнему концу деформируемого стержня, установленному в гнезде, выполненном с торца подвижной опоры, служащей рычагом рычажной системы нагрузочного устройства, циклически прикладывают изгибающую внешнюю нагрузку в противоположных направлениях с помощью этого рычага, который перемещают в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии указанного рычага и гнезда неподвижной опоры рычажной системы нагрузочного устройства.
Недостатком способа является то, что деформационное воздействие на образец отличен по принципу от бурения, в результате чего регистрируемое электромагнитное излучение имеет малую величину и не позволяет контролировать процесс разрушения образца. Кроме того, отсутствует возможности регистрировать величину приложенной нагрузки к образцу.
Задача предлагаемого решения состоит в обеспечении возможности регистрации электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород бурением.
Поставленная задача решается за счет создания электромагнитного излучения разрушаемого образца горной породы бурением при изменяющихся параметрах режима, преобразования и регистрации электромагнитного излучения.
В устройстве для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при разрушении горных пород бурением, включающем нагрузочное устройство, содержащее металлический корпус, соединенный с заземленным основанием, систему регистрации, включающую усилители, аналого-цифровой преобразователь, компьютер и экранированные кабели. В качестве нагрузочного устройства использованы породоразрушающий инструмент и систему подачи осевой нагрузки. Породоразрушающий инструмент установлен на сверлильном станке. Система подачи осевой нагрузки состоит из последовательно соединенных шкива подачи осевой нагрузки, системы блоков и системы навески грузов, установленных на раме. Применена замкнутая циркуляционная система для очистки забоя и охлаждения породоразрушающего инструмента. В состав системы регистрации входит манометр, фототахометр, датчик вибрации, канал для регистрации постоянной составляющей тока и канал для регистрации переменной составляющей тока.
Исследование электромагнитного излучения, возникающего в процессе разрушения образца горной породы бурением, осуществляется путем размещения его в зажиме и бурением с помощью породоразрушающего инструмента, установленного на сверлильном станке с заданной осевой нагрузкой в системе подачи осевой нагрузки и расходом промывочной жидкости. Очистка забоя и охлаждение породоразрушающего инструмента осуществляется промывочной жидкостью, двигающейся по циркуляционной системе замкнутого типа. При этом в результате взаимодействия вооружения породоразрушающего инструмента и образца горной породы происходит генерация электромагнитного излучения. Предлагаемое устройство позволяет регистрировать электромагнитное излучение, генерируемое, в результате разрушения образцов горной породы бурением при заданных параметрах режима.
В способе регистрации электромагнитного излучения, возникающего при разрушении горных пород бурением, устанавливают образец в зажиме, деформируют его с помощью нагрузочного устройства, системой регистрации определяют электромагнитный сигнал. Задавая параметры эксперимента, отмечают начальное и конечное положения системы подачи осевой нагрузки, соответственно в начале и конце эксперимента. Включают двигатель бурового насоса, подают питание на трехфазный трансформатор, с которого затем питание подают на двигатель сверлильного станка. Породоразрушающий инструмент вводят в контакт с образцом и устанавливают требуемую осевую нагрузку. Фиксируют частоту вращения породоразрушающего инструмента фототахометром, давление промывочной жидкости регистрируют манометром, а колебания установки фиксируют вибрационным датчиком. По каналам для регистрации постоянной составляющей тока и переменной составляющей тока определяют генерируемое электромагнитное излучение.
Разрушение образца торной породы бурением осуществляют породоразрушающим инструментом с приводом от сверлильного сганка. нагружают образец посредством подачи осевой нагрузки, регистрируют и изменяют параметры режима бурения, для охлаждения породоразрушающего инструмента и очистки забоя используют циркуляционную систему замкнутого типа. При этом в результате взаимодействия вооружения породоразрушающего инструмента и образца горной породы происходит генерация электромагнитного излучения. Предлагаемый способ позволяет регистрировать как постоянную, так и переменную составляющую электромагнитного излучения, исследовать его особенности при разрушении образцов горной породы бурением.
Для пояснения описываемого объекта на фиг.1-5 приведены блок-схемы предлагаемой установки и ее составных элементов.
Фиг.1 - общая блок-схема установки.
Фиг.2 - блок схема сверлильного станка.
Фиг.3 - блок-схема циркуляционной системы.
Фиг.4 - блок-схема системы подачи осевой нагрузки.
Фиг.5 - блок-схема системы регистрации.
Фиг.6 и 7 - примеры конкретного выполнения способа в виде диалоговых окон программного обеспечения при записи данных во время эксперимента при различных осевых нагрузках.
Устройство для регистрации электромагнигного излучения, возникающего при разрушении горных пород бурением (фиг 1), состоит из сверлильного станка 1 (СС), циркуляционной системы 2 (ЦС), системы подачи осевой нагрузки 3 (СПОН) и системы регистрации 4 (СР). Пересечение между элементами на блок-схеме означает наличие функциональных связей между данными элементами.
Сверлильный станок 1 (СС) (фиг.2), состоит из базовой части сверлильного станка (станина, шкивы, шпиндель-вращатель) 5, синхронного двигателя 6 (Д), лотка-отстойника 7 (ЛО) для промывочной жидкости, шкива подачи осевой нагрузки 8, вертлюга 9 (В), породоразрушающего инструмента 10 и зажима для образца горной породы 11 (ЗГП), крепящегося болтами к базовой части станка 5.
Циркуляционная система 2 (ЦС) замкнутого типа (фиг.3) состоит из вертлюга 9 (В), лотка-отстойника 7 (ЛО), поливочного шланга 12, емкости-отстойника 13 (ЕО), пластикового перетока 14, емкости для промывочной жидкости 15 (ЕПЖ), гофрированного шланга 16, трехпоршневого бурового насоса 17 (БН) и тракторного армированного шланга 18. Циркуляционная система собрана по следующей схеме: 9-7-12-13-14-15-16-17-18-9. Кроме того, коллектор бурового насоса 25 (КБН) соединяется поливочным шлангом сброса 19 с емкостью для промывочной жидкости 15 (ЕПЖ).
Система подачи осевой нагрузки 3 (СПОН) (фиг.4) состоит из шкива подачи осевой нагрузки 8, конструктивно расположенного на сверлильном станке 1 (СС) и рамы 21 (Р), с установленными на ней системой блоков 22 (СБ) и системы навески грузов 23 (СНГ). Все элементы системы подачи осевой нагрузки 3 (СПОН) связаны между собой металлическим тросом 20.
Система регистрации 4 (СР) (фиг.5) состоит устройств регулирования и контроля гидравлического канала, расположенного в циркуляционной системе 2 (ЦС), устройства регистрации проходки на породоразрушающий инструмент, расположенной в системе подачи осевой нагрузки 3 (СПОН), цифрового фототахометра «ЕМ2234» 26 (ФТ) устройств для регистрации электромагнитного излучения и устройств для подачи питания на рабочие элементы сверлильного станка 1 (СС) и бурового насоса 17 (БН). Устройства регулирования и контроля гидравлического канала представлены манометром 24 и коллектором трехпоршневого бурового насоса 25 (КБН). Устройства регистрации проходки на породоразрушающий инструмент представлено рамой 21 (Р). В качестве устройств для регистрации электромагнитного излучения используют: канал регистрации постоянной составляющей тока, состоящий из контура, включающего вертлюг 9 (В), породоразрушающий инструмент 10, зажим горной породы 11 (ЗГП), сопротивление величиной 75 Ом 27 (С75) и усилитель 29 (У1); канал регистрации переменной составляющей тока, состоящий из ферритового кольца с обмоткой 28 (ФК) и усилителя 30 (У2). Оба канала далее соединены с персональным компьютером 32 (ПК) через осциллографическую приставку «PCLab2000» 31 (ОП). Для регистрации колебаний элементов установки используют датчик вибрации 33 (ВД), который при необходимости устанавливается на сверлильный станок 1 (СС) или трехпоршневой буровой насос 17 (БН). Датчик вибрации 33 (ВД) подключается через осциллографическую приставку «PCLab2000» 31 (ОП) к персональному компьютеру 32 (ПК). В качестве устройства подачи питания на рабочие элементы сверлильного станка 1 (СС) используют двигатель 6 (Д), подключенный с помощью диода к трехфазному трансформатору 34 (ЛАТР) и через магнитный пускатель сверлильного станка 35 (МПСС) к трехфазной сети. Устройства подачи питания на рабочие элементы трехпоршневого бурового насоса 17 (БН) представлены двигателем трехпоршневого бурового насоса 36 (ДБН) и магнитным пускателем трехпоршневого бурового насоса 37 (МБНН), подключенного к трехфазной сети.
Работа осуществляется следующим образом. Исследуемый образец устанавливают в зажим для горной породы 11 (ЗГП), на персональном компьютере 32 (ПК) выставляют параметры эксперимента с использованием специального программного обеспечения осциллографа «PCLab2000» (выставляют временная развертка сетки эксперимента - 1 с (100 измерений в секунду), чувствительность каналов для регистрации постоянной составляющей и переменной составляющей тока). Породоразрушающий инструмент 10 выводят из контакта с образцом и закрепляют в статическом положении. Подают питание на двигатель бурового насоса 36 (ДБН) путем включения магнитного пускателя бурового насоса 36 (МПБН), тем самым совершает свою работу трехпоршневой буровой насос 17 (БН) и происходит циркуляция промывочной жидкости по циркуляционной системе 2 (ЦС). Подают питание на трехфазный трансформатор 34 (ЛАТР) путем включения магнитного пускателя сверлильного станка 35 (МПСС). На трехфазном трансформаторе 34 (ЛАТР) выставляют необходимое значение подаваемого напряжения на двигатель сверлильного станка 6 (Д), в результате чего двигатель раскручивает породоразрушающий инструмент 10 до требуемой частоты вращения. Породоразрушающий инструмент 10 вводят в контакт с образцом и на системе навески грузов 23 (СНГ) устанавливается необходимая величина осевой нагрузки путем навешивания товарных грузов. Через 5-15 с, когда произойдет приработка пород оразрушающего инструмента 10 (ПРИ) - производят измерение его частоты вращения цифровым фототахометром «ЕМ2234» 26 (ФТ). На раме 21 (Р) делают пометку мелом уровня системы навески грузов 23 (СНГ) в начале эксперимента. Включают запись результатов эксперимента на персональном компьютере 32 (ПК). Во время эксперимента производят определение давления подачи промывочной жидкости по манометру «ТМ100» 24. При необходимости изменяют количество подаваемой промывочной жидкости с помощью пробкового крана, расположенного на коллекторе трехпоршневого бурового насоса 25 (КБН). В этом случае избыточная жидкость возвращается в емкость для промывочной жидкости 15 (ЕПЖ) по поливочному шлангу сброса 19. Основной поток промывочной жидкости циркулирует по схеме: 17-9-11-7-12-13-14-15-16-17. Возникающее электромагнитное излучение регистрируют по следующим контурам: постоянная составляющая тока - (образец-10-9-27-11-образец)-29-31-32;
переменная составляющая тока - 28-30-31-32. Регистрацию колебаний элементов системы производят с помощью контура - 1 (17)-33-31-32. Эксперимент проводят в течение 5 минут. По окончании эксперимента производят остановка записи данных на персональном компьютере 31 (ПК), отмечают мелом на раме 21 (Р) уровень системы навески грузов 23 (СНГ), производят ее разгрузка, вывод породоразрушающего инструмента 10 из контакта с образцом, выключают трехфазный трансформатора 34 (ЛАТР), магнитный пускатель сверлильного станка 35 (МПСС) и магнитный пускатель бурового насоса 37 (МПБН). Величина проходки, снятая с рамы 21 (Р) умножают на коэффициент равный отношению хода системы навески грузов 23 (СНГ) к проходке по образцу, чтобы получить значение истинной проходки на породоразрушающий инструмент 10. Данные, переданные на персональный компьютер 32 (ПК) во время эксперимента записывают в файл формата *.txt для дальнейшей обработки. На фиг.6 и 7 представлены примеры конкретного выполнения способа в виде диалоговых окон программного обеспечения при записи данных во время эксперимента по бурению образца песчаника с осевой нагрузкой, соответственно, 2 и 12 кг и частотой вращения 500 об/мин. Чувствительность съема данных по каналу постоянного и переменного тока - 0,5 В, количество измерений - 100 в 1 с.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет фиксировать электромагнитное излучение, возникающее при разрушении образцов горной породы бурением, как по каналу для регистрации постоянной составляющей тока, так и каналу для регистрации переменной составляющей тока, а также менять режим эксперимента изменением осевой нагрузки и частоты вращения породоразрушающего инструмента, подачи промывочной жидкости. Следовательно, предложенное устройство позволяет решить поставленную задачу.