Методические указания по новому методу измерения смещения горных пород в массиве
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО НОВОМУ МЕТОДУ ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В МАССИВЕ
ВВЕДЕНИЕ
Решение вопросов подработки сооружений на земной поверхности, водных объектов и горных выработок требует постановки исследований деформаций толщи горных пород. Для этой цели широко используют глубинные реперы, закладываемые в скважины.
В Уральском филиале ВНИМИ разработан новый способ измерения смещений реперов в скважинах, основанный на применении магнито-герконовых датчиков. Этот способ позволяет закладывать в скважину большое количество реперов, в результате чего существенно увеличивается объем и качество информации, получаемой из одной скважины. Своей производительностью и высокой точностью способ измерения смещения реперов в толще с помощью магнито-герконовых датчиков выгодно отличается от всех применявшихся ранее способов.
Применение данного способа для вертикальных скважин, пробуренных с земной поверхности, и наклонных, пробуренных из горных выработок, излагается в настоящих Методических указаниях.
Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть использован в скважинах, пробуренных в устойчивых и средней устойчивости породах. Для скважин, пробуренных в весьма слабых породах, метод нуждается в дальнейшем развитии и совершенствовании.
Методические указания составлены канд. техн. наук И.А. Петуховым, канд. техн. наук В.П. Самариным и инж. В.К. Шляхецким.
I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
I.1. В данном методе используется принцип определения местоположения глубинных реперов, заложенных в скважинах.
Местоположение реперов в вертикальных скважинах, пробуренных с земной поверхности, определяется с помощью магнито-герконового датчика, опускаемого на мерной ленте, а в скважинах, пробуренных из горных выработок, перемещаемого специальными штангами.
Датчик представляет собой систему, состоящую из герметизированного магнитоуправляемого контакта (геркона) и постоянного магнита, установленных на определенном расстоянии друг от друга.
I.2. Основные виды герконов изображены на рис. 1.
Рис. 1. Магнитоуправляемые контакты: а — типа КЭМ; б — типа МКВ; 1 — стеклянный баллон; 2 — пермаллоевые гибкие пластины
Геркон /1, 2/ в простейшем виде представляет собой две пластинки из ферромагнитного материала, расположенные на некотором (порядка долей миллиметра) расстоянии друг от друга и запаянные в стеклянный баллон. Диаметр баллона составляет около 3 — 4 мм, длина 20 — 40 мм.
Под действием магнитного поля достаточной напряженности пластинки из пермаллоя притягиваются друг к другу и замыкают контакт. При уменьшении напряженности магнитного поля пермаллоевые пластинки под действием упругих сил возвращаются в исходное положение и контакт размыкается. Для того чтобы обеспечить лучший контакт, соприкасающиеся поверхности пластинок покрываются защитным слоем благородного металла, например, золота, сплава золота с серебром или никелем.
Одним из важных параметров работы герконов является показатель напряженности магнитного поля, необходимой для замыкания и размыкания контакта. Этот показатель для каждого геркона индивидуален и зависит от материала пластинок, являющихся пружинками, их толщины, величины зазора между ними, величины площади соприкосновения, которая в свою очередь зависит от чистоты обработки поверхности пластинок, параллельности установки их друг относительно друга, т.е. зависят от механических и магнитных свойств материала пружин, их геометрической формы, величины перекрытия пружин и рабочего зазора между ними. Наибольшей чувствительностью обладают герконы с более тонкими и менее жесткими пружинами.
Магнитодвижущая сила срабатывания (замыкания контактов) для отдельных типов герконов характеризуется в количественном выражении от 23 \div 35\text{ав} (ампер-витков) до 80 \div 190\text{ав} , а опускания (размыкания контактов) — 15 \div 35\text{ав} (или коэффициентом возврата, равным 0,80 \div 0,98 ).
Поскольку трудно изготовить два геркона с абсолютно одинаковыми геометрическими показателями и показателями механических и магнитных свойств, то характеристики каждого геркона несколько отличаются друг от друга. Следовательно, и свойства датчика, где используются герконы, будут индивидуальны.
Герконы отличаются сравнительной простотой конструкции и высокой надежностью в работе. Надежность их работы может характеризовать износоустойчивость, показателем которой является число срабатываний геркона. При величинах силы тока и напряжения на контактах, не превышающих допустимых, число срабатываний достигает до 109. Число срабатываний тем больше, чем меньше величина тока, проходящего через геркон. Величина тока для различных типов герконов допускается до 0,1 — 0,25 а при напряжении до 60 — 127 в. Герконы надежно работают в диапазоне температур от -60 °C до +125 °C. Они могут работать как в режиме замыкания, так и в режиме размыкания.
Наиболее чувствительные и удобные в работе датчики получаются с использованием экземпляров герконов, у которых малая магнитодвижущая сила (МДС) срабатывания и малая разница между МДС срабатывания и опускания. При изготовлении датчиков использовались герконы типов МКВ-1 и КЭМ-1А выпускаемые отечественной промышленностью.
I.3. Постоянные магниты характеризуются напряженностью магнитного поля, создаваемого вокруг них. Напряженность магнитного поля зависит от свойств материала, из которого изготовлен магнит, и его намагниченности. Наиболее распространенным материалом для изготовления постоянных магнитов являются сплавы на основе железа, алюминия, никеля и кобальта.
Однако магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом, меняется с течением времени при воздействии внешних условий: в первую очередь магнитных полей соседних ферромагнитных масс, температур и др.
Магнитная нестабильность связана с изменением структуры материала магнита, с магнитным старением, характеризующимся кривой размагничивания.
Магнитное старение и размагничивание постоянных магнитов в зависимости от марки материала, намагниченности и воздействия внешних условий достигает нескольких процентов в год. Поэтому при эксплуатации, а особенно при хранении, магнит необходимо оберегать от воздействия на него других магнитов и ферромагнитных масс.
Поскольку магнитные параметры постоянного магнита со временем изменяются, то будут меняться и параметры работы датчика, изготовленного на основе системы геркон-магнит. Однако, за время проведения наблюдений на скважине, занимающих 1 — 2 часа, свойства магнита можно считать постоянными.
Для изготовления датчиков используются магниты от сейсмоприемника типа СПМ-16 диаметром 25 мм, длиной 50 мм и специальные литые магниты из сплава ЮНДК24 диаметром 18 мм и длиной 50 мм. Опыт показывает, что чем сильнее магнит, тем больше радиус действия датчика. Это имеет определенное значение при выборе размеров реперов, диаметра обсадных труб и диаметра скважины.
I.4. В датчике геркон устанавливается на таком расстоянии от магнита, чтобы напряженность магнитного поля была достаточна для замыкания его пермаллоевых пластинок. В таком положении геркон способен реагировать на возмущающее действие посторонних магнитоактивных масс, а датчик считается настроенным.
Принцип действия датчика может быть пояснен схемой, приведенной на рис. 2, где датчик Д перемещается внутри репера Р.
Рис. 2. Схема действия герконового датчика: Д — датчик; Р — репер; 1 — точка размыкания контактов при спуске датчика; 2 — точка замыкания контактов при спуске датчиков; 3 и 4 аналогичные точки при подъеме датчика
Репер представляет собой кольцо из магнитоактивного материала. Таким материалом может служить железо, сталь, пермаллой и др.
Во время спуска датчика на мерной ленте при приближении его к реперу постоянный магнит начинает взаимодействовать с последним, в результате чего напряженность магнитного поля на участке между магнитом и герконом ослабевает, пермаллоевые пластинки под действием упругих сил размыкают контакт в точке 1. Момент размыкания контакта фиксируется с помощью регистрирующего прибора, включенного в электрическую сеть вместе с датчиком. Расстояние до этой точки определяется с помощью мерной ленты.
При дальнейшем перемещении датчика относительно репера влияние последнего на магнит начинает уменьшаться, напряженность магнитного поля на участке между магнитом и герконом восстанавливается и контакт снова замыкается (точка 2). При обратном движении датчика (при его подъеме) контакт размыкается в точке 3 и замыкается в точке 4.
Граница области, в которой происходит размыкание контакта датчика при воздействии на него репера, показана на рис. 2 сплошной линией, а граница области, в которой контакт датчика замыкается, — пунктирной.
Размеры этих областей зависят от индивидуальных характеристик используемых герконов и магнитов, от расстояния, на котором они взаимно установлены, от размеров и магнитных свойств репера.
I.5. Исходя из формы кривых, обозначающих границы областей размыкания и замыкания контактов датчика, видно, что расстояние до точек 1, 2, 3 и 4, измеряемое по ленте, будет зависеть от расстояния, на котором датчик проходит около репера. Для исключения влияния этого фактора на измеряемое расстояние необходимо стремиться, чтобы датчик каждый раз проходил от репера на одном и том же расстоянии, а при вычислениях расстояний от одного репера до другого брать средние значения из отсчетов по ленте до точек 1, 2, 3 и 4.
При сохранении расстояния между репером и датчиком, при нескольких прохождениях датчика, среднеквадратическая ошибка определения положения каждой из точек (1, 2, 3 и 4) равна +/- 0,02 мм.
I.6. Наблюдения заключаются в измерении расстояний до точек, в которых происходит размыкание и замыкание контактов геркона при движении датчика около каждого репера.
II. БУРЕНИЕ СКВАЖИНЫ, ЕЕ ОБСАДКА И ЗАКЛАДКА ГЛУБИННЫХ РЕПЕРОВ
II.1. Скважина, предназначенная для закладки глубинных реперов, бурится вертикальной. До глубины около 2,0 — 2,6 м диаметр ее равен 300 — 320 мм. Этот отрезок скважины сразу же обсаживается асбоцементной (или из другого немагнитоактивного материала) трубой диаметром около 250 — 280 мм. Далее скважина бурится обычным способом с установкой металлического кондуктора внутри асбоцементной трубы. Скважина бурится одного диаметра на всю, оставшуюся от обсадки асбоцементной трубой и кондуктором, глубину.
Рекомендуемый диаметр скважины — 110 мм.
При бурении ведется детальная геологическая документация и производится отбор проб для испытания физико-механических свойств. На основании геологической документации и задач наблюдений выбираются места для закладки глубинных реперов.
Сразу же после бурения скважина тщательно промывается, после чего приступают к ее обсадке. Скважины, пробуренные в слабых, неустойчивых породах, от глинистого раствора не промываются.
Процесс обсадки скважин совмещается с закладкой глубинных реперов.
II.2. Обсадные трубы служат для обеспечения доступа измерительных приборов на всю глубину скважины.
Основное требование для труб состоит в том, что они должны быть из немагнитоактивных материалов и надежно выполнять свое назначение, о котором сказано выше.
Одним из таких материалов является винипласт. Характеристики прочностных и деформационных свойств винипласта следующие: объемный вес 1,38 — 1,43 г/см3, модуль упругости 4·104 кг/см2, предел прочности на разрыв 400 — 600 кг/см2, на сжатие 800 — 1000 кг/см2, на изгиб 1000 — 1200 кг/см2, относительное удлинение при разрыве 10 — 25%.
Отечественной промышленностью выпускаются винипластовые трубы, которые можно использовать в качестве обсадных, следующих диаметров (в мм):
| Внутренний | 32 | 40 | 50 | 60 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|
| Внешний | 40 | 50 | 63 | 76 | 83 |
Вес одного погонного метра винипластовой трубы диаметром 50
Для скважин диаметром 110 мм, пробуренных с земной поверхности, используются трубы двух типоразмеров: диаметром 50/63 и 60/76 мм; для подземных скважин диаметром 59 мм используются трубы диаметром 32/40 мм.
Обсадные трубы скрепляются между собой при помощи муфт, изготавливаемых из отрезков длиной не менее 10 см винипластовых труб большего диаметра. Например, для обсадных труб диаметром 50/63 мм муфты изготовляются из труб Ø60/76мм , а для обсадных труб диаметром 60/76 мм из труб Ø70/83мм .
Для соединения обсадных труб между собой на концах каждой из них снаружи нарезается метрическая резьба и внутренняя резьба на отрезках, предназначенных для соединительных муфт. Концы двух смежных труб должны соединяться друг с другом плотно без зазоров.
В качестве обсадных могут также использоваться трубы из дюралюминия, фторопласта, полиэтилена и др.
II.3. Реперами могут служить любые предметы из магнитоактивных металлов (железа, стали, пермаллоя и др.), надежно закрепленные в горных породах.
Важным условием, обеспечивающим точность измерения расстояний до реперов, является сохранение реперами стабильности магнитных свойств.
При взаимодействии сильного магнитного поля постоянного магнита, находящегося в датчике, с репером последний намагничивается и сохраняет некоторую остаточную магнитную индукцию. В результате такой репер начинает взаимодействовать с магнитным полем датчика иначе, чем первоначально. При этом контакт геркона размыкается и замыкается на других расстояниях от репера.
Поэтому для изготовления реперов необходимо стремиться использовать мягкие ферромагнитные материалы, характеризующиеся малой величиной остаточной индукции (коэрцитивной силой). К таким материалам относится пермалой. Могут использоваться и другие материалы. Для придания реперам стабильных магнитных свойств предварительно производится их магнитное насыщение. Проведение этой операции описано в пункте VI.3.
Практически в качестве реперов используются отрезки стальных труб. Размеры реперов (и их масса) зависят от материала, из которого они изготовлены, от применяемых в датчике магнита и геркона и расстояния их взаимной установки. Эти размеры устанавливаются экспериментальным путем.
Для датчиков, изготовленных на основе герконов и магнитов, указанных выше, длина реперов, обеспечивающая надежную работу, рекомендуется 150 мм для поверхностных и 100 мм для подземных скважин.
Диаметр реперов подбирается с таким расчетом, чтобы они свободно одевались на обсадные трубы и в то же время чтобы зазоры не были слишком большими, при которых могут быть заметные перекосы реперов. Так, например, для обсадных труб 1-го типоразмера диаметр реперов 69 \div 76\text{мм} , 2-го типоразмера — 80 \div 88\text{мм} и для подземных скважин — 42 \div 48\text{мм} .
Для удержания реперов в скважине к каждому из них симметрично по периметру приклепываются 4 — 6 пластинчатых пружин (рис. 3), изготавливаемых из стальной (марки У9А) ленты сечением 20 x 1 мм для поверхностных скважин и из стальной (марки 65Г) ленты сечением 12 x 0,76 мм для подземных скважин. Для изготовления пружин могут использоваться ленты из других марок стали и других размеров, но пружины из них должны обеспечить надежное закрепление репера в скважине.
Рис. 3. Устройство репера: 2 — отрезок трубы, 1 — пружина, 3 — заклепка
Перед приклепыванием к реперу изготовленные пружины для обеспечения их упругости должны проходить термическую обработку (закалку) до прочности 46 — 49 раквэлл. К середине репера, перед тем как к нему приклепывать пружины, приваривается шайба толщиной 4 — 5 мм, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру репера, а внешний — на 8 — 10 мм меньше диаметра скважины. Назначение этих шайб состоит в том, чтобы повысить надежность закрепления репера в толще горных пород.
Количество реперов, закладываемых в одну скважину, определяется задачами исследований. Минимальное расстояние, на котором могут располагаться реперы один от другого, равно около 0,4 м.
Кроме реперов другие предметы из магнитоактивных материалов на интересуемых интервалах в скважине должны отсутствовать. По этой причине данный метод не всегда может применяться на некоторых месторождениях в условиях, когда скважина пересекает рудные тела, обладающие магнитными свойствами, например магнетиты.
II.4. Обсадка скважины и закладка глубинных реперов производится в следующем порядке.
Трубы, последовательно соединенные друг с другом с помощью муфт, направляют в скважину. Во избежание попадания внутрь колонны обсадных труб грязи и шлама перед обсадкой торцевое отверстие нижней обсадной трубы закрывается пробкой. На обсадные трубы на нужных интервалах одевают реперы. Для этого к моменту окончания бурения скважины все обсадные трубы должны быть пронумерованы. Положение соединительных муфт в колонне должно быть подобрано таким образом, чтобы реперы, проталкиваемые муфтами, были досланы на заданную глубину, определяемую исходя из геологического строения толщи пород и задач наблюдений.
Несмотря на то, что при наращивании труб общий вес колонны увеличивается, она свободно может удерживаться руками. Этому способствуют реперы, пружины которых распираются в стенки скважины. В случае, если все же опускать колонну труб руками становится тяжело, то она опускается с помощью бурового станка.
Если скважина заполнена водой, то колонна труб, поскольку она закрыта снизу пробкой, удерживается выталкивающей силой воды, находящейся в скважине. В этом случае внутрь колонны заливается чистая вода.
После того как вся колонна труб с реперами опущена в скважину, весь став обсадных труб приподнимается на 0,5 — 0,8 м с тем, чтобы отделить реперы от соединительных муфт, которыми они проталкивались, и в таком приподнятом положении временно закрепляется. После того как породы стенок скважины зажмут обсадные трубы, это временное закрепление снижается. Металлическая труба, служившая кондуктором при бурении скважины, извлекается и станок убирается.
II.5. Подземная скважина бурится сразу одного диаметра на всю длину. Рекомендуемый диаметр для подземных скважин — 59 мм. Для закладки реперов в подземные скважины используются реперы и обсадные трубы, указанные выше. Обсадка ее и закладка глубинных реперов осуществляется таким же образом, как и на скважине, пробуренной с земной поверхности.
Обсадные трубы подаются в скважину с помощью бурового станка.
В устойчивых вмещающих породах подземную скважину можно не обсаживать. Реперы в этом случае проталкиваются специальным досыльником, навинчивающимся на буровые штанги, установка реперов осуществляется последовательно, начиная с самого дальнего. Чтобы избежать перекосов при установке реперов, досыльник должен иметь направляющий цилиндр свободно входящий внутрь репера на всю его длину.
III. ОБОРУДОВАНИЕ УСТЬЯ СКВАЖИНЫ
III.1 После обсадки скважины и закладки в нее глубинных реперов приступают к оборудованию ее устья. Схема оборудования приведена на рис. 4.
Рис. 4. Оборудование устья скважины: 1 — асбоцементная труба, 2 — винипластовая обсадная труба, 3 — перекрытие, 4 — бетон, 5 — изолирующая прокладка, 6 — исходный репер, 7 — металлические прутья, 8 — колпак
Пространство между асбоцементной 1 и обсадной винипластовой 2 трубами заполняется бетоном 4. При этом последняя отделяется от бетона прокладкой 5 с тем, чтобы обеспечить возможность перемещения ее относительно бетона. Прокладка может быть изготовлена из пропитанного парафином и смазанного солидолом картона, толя или другого подобного материала.
Для того чтобы бетон не проваливался дальше конца асбоцементной трубы в скважину, имеющиеся там зазоры 3 предварительно перекрываются.
В самом верху бетонируемого пространства снаружи винипластовой обсадной трубы устанавливается исходный репер 6 таким образом, чтобы его верхняя часть с резьбой около 3 — 5 см выступала над бетоном.
Исходный репер изготавливается таких же размеров, что и глубинные реперы, но отличается от них отсутствием пластинчатых пружин и тем, что верхняя его часть имеет резьбу для навинчивания колпака 8, а нижняя часть — приваренные поперек репера отрезки металлических прутьев 7, служащие для более прочного закрепления его в бетоне.
Обсадная винипластовая труба должна выступать над верхней кромкой исходного репера на 0,4 — 0,7 м для того, чтобы при проведении наблюдений на исходном репере датчик вместе с центрирующим устройством находился полностью в обсадной трубе. Последняя может выступать и на меньшую величину, но в этом случае на время проведения наблюдений она должна наращиваться до необходимой высоты с помощью муфты.
Для защиты скважины от возможных повреждений в период между наблюдениями устье ее закрывается стальным колпаком 8, навинчиваемым на исходный репер. Необходимая высота колпака определяется размером выступающего над исходным репером конца винипластовой обсадной трубы.
В 1,5 — 2,0 м от устья скважины прочно закрепляется специальная стойка диаметром 40 — 50 мм и выступающая над поверхностью земли на 0,4 — 0,5 м, на которой на время наблюдений жестко крепится лебедка с мерной лентой.
III.2 Для подземной скважины исходный репер отличается от остальных тем, что у него для большей устойчивости в скважине увеличивается количество пластинчатых пружин и к нему жестко прикрепляется стержень из немагнитоактивного материала, служащий для измерений.
Около устья подземной скважины закрепляются в специально пробуренных шпурах три анкерных болта, предназначенных для крепления к ним на время наблюдений подающего механизма.
Длина анкерных болтов должна позволять устанавливать основание подающего механизма перпендикулярно оси скважин.
IV. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
IV.1. В комплект приборов, оборудования и материалов, необходимых при проведении наблюдений за сдвижением реперов, входят:
а) для скважин, пробуренных с земной поверхности: магнито-герконовый датчик, центрирующее устройство, лебедка с мерной лентой, механизм плавного спуска и подъема мерной ленты, лебедка с проводом, регистрирующий прибор, отсчетное приспособление, груз, направляющий блок для провода, аппаратура для термокаротажа, гидрогеологическая хлопушка, вспомогательное оборудование и материалы;
б) для скважин, пробуренных из подземных выработок: магнито-герконовый датчик для подземных скважин, штанги, подающий механизм, регистрирующий прибор, лебедка с проводом, штангенциркуль, измерительная стойка СУИ-2, вспомогательное оборудование и материалы.
Ниже приводится описание приборов и оборудования. Конструкции их могут отличаться от приведенных, однако все приборы должны полностью отвечать своему назначению.
IV.2 Магнито-герконовый датчик для скважин, пробуренных с земной поверхности, состоит из корпуса датчика, верхней и нижней крышек, настроечного винта, геркона и постоянного магнита (рис. 5).
Рис. 5. Устройство датчика для измерений на поверхностных скважинах: 1 — верхняя крышка, 2 — настроечный винт, 3 — корпус, 4 — нижняя крышка, 5 — клеммы, 6 — постоянный магнит, 7 — геркон
Корпус датчика 3 представляет собой цилиндр диаметром 36 мм из немагнитоактивного металла (латунь, бронза, дюралюминий) с резьбовыми гнездами для настроечного винта и постоянного магнита.
Верхняя 1 и нижняя 4 крышки прикрывают настроечный винт и постоянный магнит и имеют отверстия с резьбой для присоединения центрирующего устройства. Крышки изготавливаются из немагнитоактивного металла и крепятся на корпусе с помощью резьбы.
Настроечный винт 2 представляет собой стержень из текстолита, на внешней поверхности которого сделана резьба. Внутри его имеется канал для размещения геркона. На головке винта расположены две клеммы для подсоединения проводов, идущих от геркона.
В датчике используются герконы типов КЭМ-1А, МКВ-1 и др., выпускаемые отечественной промышленностью. Геркон 7 помещается в канале настроечного винта и закрепляется там с помощью твердеющего материала (эпоксидная смола ЭД-6 и др.).
Постоянный магнит (6) представляет собой литой стержень из магнитного сплава (ЮНДК-24 и др.), который крепится в нижнем гнезде корпуса датчика. Также может использоваться постоянный магнит от сейсмоприемника типа СПМ-16.
IV.3 Центрирующее устройство обеспечивает положение датчика строго по оси обсадных труб. Оно состоит из двух одинаковых комплектов (рис. 6), которые прикрепляются к верхней и нижней крышкам датчика. Каждый комплект состоит из корпуса 3, обоймы 5, четырех направляющих роликов с шарнирами 1, распорной пружины 9, поджимной гайки 7 и контргайки 2 с дужкой 6. Центрирующее устройство изготавливается из немагнитоактивных материалов.
Рис. 6. Центрирующее устройство: 1 — шарниры с роликами, 2 — гайка, 3 — корпус, 4 — ось, 5 — обойма, 6 — душка, 7 — гайка, 8 — шайба, 9 — пружина
IV.4. Для измерения расстояний до реперов в скважине используется мерная лента. При отсутствии мерной ленты необходимой длины она составляется из полотен рулетки РГ-30 или РК-50.
Мерная лента размещается на лебедке с ручным приводом, которая должна иметь храповик с блокировочной «собачкой».
Конец мерной ленты, подсоединенный к центрирующему устройству, должен быть снабжен вертлюгом с карабином и гнездом для присоединения с помощью штекера одного из проводов, идущего от датчика. Гнездо представляет собой отрезок медной трубки диаметром 3 — 4 мм и длиной 10 — 20 мм, припаиваемой к мерной ленте.
Мерная лента должна быть прокомпарирована.
IV.5 Механизм плавного спуска и подъема мерной ленты предназначен для того, чтобы более точно уловить моменты замыкания и размыкания контакта датчика в зоне влияния репера.
Механизм смонтирован на штативе и состоит из следующих частей (рис. 7): ходового винта 1, вращаемого через шестерни 6 рукояткой 2; гайки 3 с блоком 4, которая скользит по направляющей стойке 5. Механизм позволяет плавно поднимать или опускать мерную ленту, перекинутую через блок, на величину 200 — 250 мм.
Рис. 7. Механизм плавного спуска и подъема мерной ленты: 1 — ходовой винт, 2 — рукоятка, 3 — гайка, 4 — блок, 5 — направляющая стойка, 6 — шестерни
IV.6 Лебедка предназначена для намотки изолированного провода, состоящего из двух жил марки МГШВб сечением 0,35 мм2. Длина провода должна быть на 5 — 10 м больше глубины скважины, в которой будут проводиться наблюдения.
Лебедка имеет скользящие контакты и блокировочную «собачку».
IV.7. Регистрирующим прибором могут служить: тестер Ц-20, омметр М-371, индикатор М-20 и др.
IV.8. Отсчетное приспособление представляет собой нониус, смонтированный на струбцинке, с помощью которой он укрепляется на обрезе обсадной трубы. Точность отсчета по ленте с помощью нониуса 0,1 мм.
IV.9. Груз служит для придания необходимого натяжения мерной ленте.
Вес датчика с центрирующим устройством вместе с грузом должен равняться 10 кг. Во избежание заклинивания груза в обсадных трубах, деформированных (искривленных) в процессе подработки горного массива, он должен состоять из нескольких частей, соединенных между собой гибкой связью.
IV.10. Для определения уровня воды в скважине может применяться гидрогеологическая рулетка с хлопушкой или другие приборы, предназначенные для этой цели /4/ и выпускаемые серийно.
IV.11. Для термокаротажа /4/ используется аппаратура, выпускаемая серийно. Термокаротаж может быть выполнен также с помощью датчика, изготовленного на основе термосопротивления.
Наиболее пригодными являются термосопротивления типа СТ-3-17, дающие в интервале температур от -15 °C до +35 °C изменение сопротивления от 3 до 14 ом на 1°. Могут использоваться также термосопротивления других типов, например ММТ или КМТ.
Величина сопротивления может быть измерена с помощью омметра, моста сопротивлений или станцией реостатных датчиков.
Предварительно датчик должен быть протарирован с учетом сопротивления всех соединительных проводов, которые будут применяться при измерении в полевых условиях.
IV.12. Направляющий блок для провода, предохраняющий его от истирания о край обсадной трубы, крепится с помощью струбцинки на верхнем обрезе трубы.
Вспомогательное оборудование и материалы включают в себя комплект запасных настроечных винтов с герконами, электропаяльник, припой, канифоль, изоляционную ленту, набор слесарных инструментов (отвертка, плоскогубцы).
IV.13. Принципиальное устройство магнито-герконового датчика для скважин, пробуренных из горных выработок, аналогично описанному в п. IV.2. Он состоит из корпуса, передней крышки с направляющим конусом, задней крышки, настроечного винта с герконом и постоянного магнита (рис. 8).
Рис. 8. Устройство датчика для измерений на подземных скважинах: 1 — направляющий конус, 2 — передняя крышка, 3 — постоянный магнит, 4 — корпус, 5 — геркон, 6 — настроечный винт, 7 — клемма, 8 — задняя крышка, 9 — провод
IV.14. Штанги служат для досылания датчика в скважину и замера по ним местоположения реперов. Они представляют собой (рис. 9) дюралюминиевые трубки 1 диаметром 12 мм, на концах которых имеются наконечники 2 и 3 с резьбой для соединения штанг друг с другом. Длина одной штанги 1 м. Они должны быть прокомпарированы и пронумерованы. Для повышения точности измерений штангами, при неоднократном их использовании, идентичность соединений достигается путем совмещения рисок, нанесенных на наконечниках смежных штанг.
Рис. 9. Устройство подающих штанг для измерений на подземных скважинах: 1 — трубка, 2 — передний наконечник, 3 — задний наконечник, 4 — заклепка
IV.15. Подающий механизм служит для плавного перемещения датчика в зоне влияния репера.
Подающий механизм имеет следующее устройство (рис. 10): на основании 1 смонтирован ходовой винт 2, вращение которого через пару конических шестерен 7 и 8 осуществляется рукояткой 6. При вращении винта 2 по направляющей оси 9 перемещается гайка 3, в которой при помощи зажима 4 закрепляется штанга 11.
Рис. 10. Устройство подающего механизма для измерений на подземных скважинах: 1 — основание, 2 — несущий винт, 3 — гайка, 4 — зажим, 5 — крышка, 6 — рукоятка, 7 и 8 — конические шестерни, 9 — направляющие стойки, 10 — анкерные болты, 11 — подающие штанги
При наблюдениях в подземных скважинах используются лебедка с проводом, регистрирующий прибор и вспомогательные материалы и оборудование, описанные выше.
При выполнении замеров на подземных скважинах используется штангенциркуль с мерной базой не менее 300 мм и измерительная стойка СУИ-2.
V. ПОДГОТОВКА К НАБЛЮДЕНИЯМ
V.1. Подготовку к наблюдениям можно разделить на предварительную и непосредственную. Работы, относящиеся к предварительной подготовке, выполняются один раз после закладки глубинных реперов, а работы, относящиеся к непосредственной подготовке, выполняются перед каждой серией измерений расстояний до реперов в скважине.
V.2. К предварительной подготовке относятся: плановая привязка устья и инклинометрия скважины, необходимые для определения положения реперов в плане.
V.3. К непосредственной подготовке относятся: высотная привязка устья скважины, измерение уровня воды в ней и проведение термокаротажа. По данным термокаротажа строится график изменения температуры по глубине скважины.
Высотная привязка осуществляется геометрическим нивелированием не ниже IV класса точности от пунктов, находящихся за пределами влияния горных работ.
V.4. Перед началом наблюдений производят настройку магнито-герконового датчика, т.е. магнит и геркон в датчике с помощью винта устанавливаются на определенное расстояние, при котором контакты геркона в магнитном поле замыкаются. Настройкой датчика добиваются надежного размыкания контактов геркона при приближении магнитоактивного предмета и замыкания контактов при его удалении от датчика. Качество настройки проверяется по регистрирующему прибору, к которому подсоединяются провода, идущие от геркона, путем 5 — 7-кратного поднесения к датчику и удаления от него любого железного предмета.
VI. ПРОВЕДЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ
VI.1. Наблюдения заключаются в систематическом измерении расстояний до реперов в скважине от исходного репера.
Положение исходного репера каждый раз определяется геометрическим нивелированием от пунктов, находящихся за пределами влияния горных работ.
VI.2. При наблюдениях на скважине, пробуренной с земной поверхности, около ее устья устанавливают необходимое оборудование, как показано на рис. 11. Установка производится в следующем порядке:
Рис. 11. Принципиальная схема способа для измерения в скважинах, пробуренных с земной поверхности: 1 — скважина, 2 — обсадная труба, 3 — муфта, 4 — репер, 5 — мерная лента, 6 — датчик, 7 — регистрирующий прибор, 8 — провод, 9 — центрирующее устройство, 10 — механизм плавного спуска и подъема ленты, 11 — лебедка с лентой, 12 — стойка, 13 — зажимы, 14 — груз, 15 — штатив, 16 — бетон, 17 — исходный репер, 18 — лебедка с проводом, 19 — направляющий ролик
1. Свинчивается колпак с исходного репера и наращивается, если это необходимо, обсадная винипластовая труба.
2. Устанавливается над скважиной штатив с механизмом плавного спуска и подъема ленты.
3. Закрепляется на специальной стойке лебедка с мерной лентой. Конец мерной ленты перекидывается через блок механизма плавного спуска и подъема ленты.
4. К настроенному и проверенному, как это изложено выше, датчику подсоединяется сверху и снизу по комплекту центрирующего устройства. К дужке нижнего комплекта подсоединяется груз.
5. За дужку верхнего комплекса центрирующего устройства посредством специального карабина с вертлюгом магнито-герконовый датчик прикрепляется к концу мерной ленты.
6. Один из проводов, идущих от датчика, подсоединяется с помощью штекера к мерной ленте, другой — подсоединяется к одному из проводов, находящемуся на лебедке. Эго соединение изолируется изоляционной лентой.
7. С помощью изоляционной ленты к мерной ленте у ее конца крепится термодатчик. Концы проводов термодатчика подсоединяются к концам проводов, находящихся на лебедке. Один из проводов является общим для термодатчика и магнито-герконового датчика.
8. К другим концам проводов, намотанных на лебедке, и к мерной ленте подключается регистрирующий прибор. Схема подключения магнито-герконового датчика и термодатчика изображена на рис. 12.
Рис. 12. Схема подключения датчиков к регистрирующему прибору: П — переключатель, О — регистрирующий прибор (омметр), Г — магнито-герконовый датчик, Т — термодатчик, 1 — мерная лента, 2 — провода, намотанные на лебедку
9. Груз, центрирующее устройство с магнито-герконовым датчиком направляются в скважину.
10. Устанавливается на верхнем обрезе обсадной трубы с помощью струбцин отсчетное приспособление и направляющий блок для провода.
11. С помощью лебедки датчик на мерной ленте опускают до низа скважины.
VI.3. Выдержав ленту и датчик в скважине в течение 10 — 15 минут для того, чтобы они приняли температуру окружающей среды, приступают к измерениям расстояний до реперов. Порядок измерений рекомендуется снизу вверх. Поднимая датчик, следят по регистрирующему прибору за размыканием электрической цепи. Дойдя до нижнего репера, где контакт датчика разомкнется, в исходной серии наблюдений, поднимая и опуская датчик, 5 раз прогоняют его около репера, не беря никаких отсчетов. Этим самым намагничивают репер и добиваются стабилизации его магнитных свойств. В последующие серии наблюдений операцию по магнитному насыщению реперов проделывать не нужно.
Затем лебедку с лентой закрепляют и с помощью механизма плавного спуска и подъема более точно отыскивают положение точек размыкания и замыкания контакта сначала у нижней границы репера, затем у верхней. Причем первые 3 — 5 замыканий и размыканий делают без взятия отсчетов, а в последующие 3 берут отсчеты по ленте с помощью отсчетного приспособления с точностью до 0,1 мм. Отсчеты записываются в журнал (приложение). Разница между отсчетами до одних и тех же точек не должна превышать 0,3 мм.
Аналогичные операции проделывают, начиная с нижнего, около каждого из реперов, в том числе и исходного.
VI.4. По всей длине скважины измеряется температура среды в ней. Для этого регистрирующий прибор в зависимости от глубины, в которой необходимо измерить температуру, эпизодически подключают к термодатчику и измеряют сопротивление. В зависимости от величины сопротивления по тарировочному графику определяют температуру (t). Интервалы глубин, на которых необходимо измерять температуру, зависят от степени изменчивости ее в скважине. В верхней части скважины, до глубины 15 — 20 м t измеряется через каждые 1 — 3 м, ниже — через 10 — 20 м.
При проведении исходной серии наблюдений расстояния до всех реперов в скважине измеряются трижды, во все последующие серии два раза.
При подъеме датчика от репера до репера, провод, идущий от датчика, выбирается из скважины и сматывается на лебедку. При этом отставание подъема провода от подъема датчика должно быть не более 0,2 — 0,3 м.
Во время проведения серии наблюдений на всех реперах в скважине положение закрепленного вначале отсчетного приспособления не должно изменяться.
После проведения серии наблюдений оборудование демонтируется в порядке, обратном описанному в п. VI.2.
В период между сериями винт с герконом из датчика вынимается и хранится отдельно от магнита до проведения следующей серии наблюдений.
При наблюдениях задалживается бригада из 3-х человек: инженер-маркшейдер и два маркшейдерских рабочих. Время, затрачиваемое на определение местоположения одного репера в скважине составляет в среднем 3 — 4 мин.
На протяжении всего периода проведения наблюдений на одной скважине желательно пользоваться одной и той же мерной лентой, одним и тем же датчиком, центрирующим устройством и грузом.
VI.5. На подземных скважинах работы по проведению наблюдений выполняются в следующем порядке (рис. 13).
Рис. 13. Схема расположения оборудования при измерениях в скважинах, пробуренных из горной выработки: 1 — скважина, 2 — исходный репер, 3 — репер, 4 — датчик, 5 — подающие штанги, 6 — подающий механизм, 7 — анкерные болты, 8 — регистрирующий прибор, 9 — лебедка с проводом, 10 — грунтовый репер
1. На анкерных болтах с помощью гаек закрепляется подающий механизм. Основание подающего механизма должно быть перпендикулярно оси скважины.
2. В скважину направляется «настроенный», как это описано в п. V.4, датчик, к которому подключается посредством проводов регистрирующий прибор. Одним проводником в скважине служат штанги.
3. К датчику в строго определенной последовательности подсоединяются штанги, которыми датчик вручную подается в скважину.
4. Дослав датчик до репера, что видно по регистрирующему прибору, и прогнав его в исходную серию около репера 5 раз, штанги закрепляют в подающем механизме.
5. С помощью подающего механизма отыскивают границы размыкания и замыкания контактов датчика около обоих концов каждого репера, аналогично тому, как это описано в п. VI.3.
6. Расстояния до точек размыкания и замыкания контактов датчика около реперов измеряются с помощью компарированных штанг, каждый раз беря домеры от какой-либо неподвижной (во время всей серии наблюдений) точки. Такой точкой может служить конец стержня, прикрепленного к исходному реперу, или край подающего механизма, расстояние от которого до конца штанги измеряется штангенциркулем с точностью 0,1 мм.
Точкой, относительно которой производят измерения, может служить специально заложенный точно по оси скважины на противоположной стенке выработки грунтовый репер. Расстояние от репера до конца подающей штанги (домер) измеряется с помощью стойки СУИ-2 с точностью 0,1 мм.
7. При измерениях датчиком без центрирующего устройства в подземных скважинах необходимо, чтобы около всех реперов датчик был одинаково ориентирован, поскольку датчик крепится на штангах жестко, то это не трудно сделать, пометив одну сторону датчика и всех соединительных штанг.
VII. ОБРАБОТКА ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
VII.1. Обработка данных, полученных во время наблюдений на поверхностной скважине, производится в следующем порядке:
а) по средним значениям из тройных отсчетов, полученных при измерении расстояний до точек размыкания и замыкания контакта датчика у верха и низа репера, вычисляется среднее значение до средины каждого из реперов в том числе, и исходного:
l_{cp.i} = \frac{l_{1i} + l_{2i} + l_{3i} + l_{4i}}{4} ,\text{мм} (1)
где l1i, l2i, l3i, l4i — средние значения отсчетов по мерной ленте до точек 1, 2, 3 и 4 (рис. 2) репера i;
б) расстояние между исходным репером и каждым последующим вычисляется как разность отсчетов до середины реперов:
в) отметка каждого репера вычисляется по формуле
H_{i} = \text{Н}_{\text{исх}} - h_{i} + \Delta_{k} + \Delta t + \Delta_{1} + \Delta_{2},\text{м} , (3)
где Hисх — отметка исходного репера, определяемая геометрическим нивелированием от пунктов, не подверженных влиянию горных работ;
\Delta k — поправка за компарирование ленты;
\Delta t — поправка за разность температуры ленты при компарировании и при измерении;
\Delta_{1} — поправка за удлинение ленты от собственного веса;
\Delta_{2} — поправка за удлинение ленты от веса груза.
VII.2. Поправка за разность температуры ленты при компарировании и при измерении вычисляется по следующим формулам:
а) при расстояниях до реперов меньших или равных глубине от поверхности до верхней границы постоянной годовой температуры
\Delta t = 1000\beta \cdot h_{i}(t_{cp} - t_{c}),\text{мм} ; (4)
б) при расстояниях до реперов больших глубины от поверхности до верхней границы постоянной годовой температуры.
\Delta t = 1000\beta\{h_{\text{п}}(t_{\text{ср п}} - t_{\text{о}}) + (h_{i} - h_{\text{п}})[(\frac{t_{\text{п}} - t_{i}}{2}) - t_{o}]\} . (5)
\beta — коэффициент линейного расширения (\beta = 12 \cdot 10^{- 6}) ;
tср.i — средневзвешенное значение температуры среды на интервале скважины от точки взятия отсчетов по ленте до репера, град., определяется по графику термокаротажа скважины;
tср.п — средневзвешенное значение температуры среды на интервале скважины от точки взятия отсчетов до верхней границы постоянной годовой температуры, град.;
tп — температура среды у верхней границы постоянной годовой температуры;
ti — температура среды в точке расположения репера, град.; определяется по графику термокаротажа скважины;
tо — температура компарирования ленты, град.,
hп — расстояние от исходного репера до слоя с постоянной годовой температурой, м;
hi — расстояние от исходного до определяемого репера, м.
VII.3. Поправка за удлинение ленты от собственного веса:
а) при расстояниях до репера меньших или равных глубине от поверхности до уровня воды в скважине
\Delta_{1} = \frac{1000\gamma \cdot h_{i}^{2}}{2E} ,\text{мм} ; (6)
б) при расстояниях до реперов больших или равных глубине от поверхности до уровня воды в скважине
\Delta_{1} = \frac{1000[\gamma h_{b}^{2} - (\gamma - \gamma_{b})(h_{i} - h_{b})^{2}]}{2E} ,\text{мм} , (7)
где hb — расстояние от исходного репера до уровня воды в скважине, м;
\gamma — объемный вес материала ленты (\gamma = 7,8\text{г}/\text{см}^{3}) ;
\gamma — объемный вес воды, г/см3;
E — модуль упругости (E = 2·106 кг/см2).
VII.4. Поправка за удлинение ленты от веса груза:
а) при расстояниях до реперов меньших глубины от поверхности до уровня воды в скважине
\Delta_{2} = \frac{100 \cdot h_{i}(Q_{b} - Q_{\text{о}})}{EF} ,\text{мм} ; (8)
б) при расстояниях до реперов равных или больших глубины от поверхности до уровня воды в скважине
\Delta_{2} = \frac{100 \cdot h_{i}(Q_{b} - Q_{a})}{EF} ,\text{мм} , (9)
где Q — вес груза, прикрепленного к ленте, в воздухе, кг;
Qо — вес груза при компарировании ленты, кг;
F — площадь поперечного сечения ленты, см2.
VII.5. При измерениях расстояний до реперов на поверхностных скважинах центрирующее устройство имеет трение с обсадной винипластовой трубой. Величина силы трения зависит от конструктивных особенностей и степени поджатия его пружины. Трение, создаваемое центрирующим устройством, увеличивает натяжение мерной ленты при подъеме датчика и уменьшает при его спуске. Величина натяжения может быть определена для каждого центрирующего устройства практическим путем. Для этого определяют разницу в весе центрирующего устройства при его спуске и подъеме в винипластовой трубе того диаметра, которым обсажена скважина. Разница в весе будет составлять двойную величину силы трения, создаваемую центрирующим устройством.
Поскольку при измерениях расстояния до точек (3 и 4, рис. 2) определяются на спуске датчика, а до точек (1 и 2) на подъеме, то поправки за трение центрирующего устройства, которые необходимо было бы вводить в значения отсчетов l1, l2, l3 и l4 в формуле (1) будут иметь разные знаки, оставаясь практически равными по величине, которые взаимно уничтожаются. Поэтому при вычислениях расстояний до реперов, изложенных в данном Руководстве, поправки за трение, создаваемое центрирующим устройством, не учитываются.
VII.6. Обработка результатов наблюдений на подземных скважинах производится следующим образом:
а) по формуле (1) п. VII.1 определяется отсчет, соответствующий середине каждого репера;
б) определяется расстояние от фиксированной точки до середины каждого репера
где ni — длина целого числа штанг, использованных для определения местоположения данного репера.
в) определяется расстояние от исходного репера до каждого последующего
VII.7. По результатам измерений вычисляются деформации горных пород в толще и составляются графики смещений реперов.
ЖУРНАЛ измерения местоположения реперов
Шахта «Скальная комбината „Кизелуголь“»
| 7.IX-1971 г. | |
| Вес груза с датчиком: | в воздухе — 10 кг, |
| в воде — 9,4 кг | |
| Температура воздуха +2 °C | |
| Уровень воды в скважине на 18,4 м. | |
ЛИТЕРАТУРА
1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. Справочник. М., «Машиностроение», 1965.
2. Рабкин Л.И., Евгенова И.Н. Герконы (герметизированные магнитоуправляемые контакты) М., «Связь» 1968.
3. Альтман А.В., Верниковский Э.Е. и др. Постоянные магниты. Справочник. М., «Энергия», 1971.
4. Максимов В.М. и др. Справочное руководство гидрогеолога. Л., «Гостоптехиздат», 1959.
| УДК 622.834.002.56 |
|---|