СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к годному делу и может быть использовано для решения различных геомеханических задач, в частности, прогнозирования статической и динамической устойчивости горных выработок, пройденных, главным образом, в горных породах осадочного происхождения.

В практике исследований напряженно деформированного состояния горных массивов известен способ Лимана (см. например, Крупенников Г.А., Филатов Н.А., Амусин Б. 3, и др. Распределение напряжений в горных массивах. М.: Недра, 1972). Сущность этого способа состоит в определении деформаций на поверхности центральной скважины, возникших в результате полной разгрузки пород после обуривания центральной скважины коаксиально расположенной скважиной, и пересчете деформаций в напряжения. Кроме того, известен способ определения напряжений при помощи полной разгрузки пород по схеме Хаста (см. например, Крупенников Г.А., Филатов Н.А., Амусин Б.З. и др. Распределение напряжений в горных массивах. М., Недра, 1972). В отличие от способа Лимана в центральной скважине изменяют радиальные смещения стенок.

Недостатком указанных способов является сложная технология разгрузки керна с центральной скважиной. Оба способа применяются, главным образом, в скальных породах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения напряжений в осадочных горных породах при помощи буровых скважин (см. Руководство по применению метода буровых скважин для определения напряжении в осадочных горных породах, АН СССР, Сибирское отделение института горного дела, Новосибирск, 1969). Сущность метода состоит в следующем. Из горной выработки бурят скважину, в которой устанавливают деформометр, ориентированный относительно элементов залегания пласта. Деформометр фиксирует радиальные перемещения нескольких точек контура скважин. Отсчеты снимают через определенные интервалы времени. Затем измеренные величины смещений пересчитывают в напряжения с помощью формул решения плоской задачи теории упругости с учетом свойств ползучести горных пород.

Трудность применения теоретических решений для определения компонент напряжений состоит в том, что для этого необходимо знать уравнение состояния пород, отражающее их фундаментальные свойства - упругость, пластичность и вязкость в реальных условиях деформирования пород. В то же время учет указанных особенностей предопределяет усложнение модели среды, и в математическом плане представляет существенно более сложную задачу по сравнению с плоской задачей теории упругости. Способ буровых скважин не позволяет определить предельные значения компонент тензора напряжений.

Для измерения деформаций пород известны различные устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является устройство для измерения деформаций горных пород (см. патент России N 1382955, E 21 C 39/00, 1986).

Устройство дает возможность измерять деформации пород только в двух ортогональных направлениях. Устройство содержит корпус, закрепленный в нем полый установочный стержень, штоки, установленные внутри стержня с возможностью осевого перемещения, упругие элементы, размещенные в корпусе, ползуны, связанные со штоками, и элементы передачи информации.

Недостатком устройства является отсутствие возможности измерять третью компоненту деформации пород (вдоль оси скважины).

Основная задача, которую решает предлагаемый способ - повышение точности определения напряженного состояния пород в горном массиве путем установления инвариантных (деформационных) характеристик пород и момента перехода объемных деформаций пород через максимум.

Устройство для реализации этого способа решает задачу расширения функциональных возможностей устройств для измерения деформации.

Согласно способу определения предельного состояния пород устанавливают инвариантные деформационные характеристики пород - первый инвариант тензора деформаций I₁(T_ε) и второй инвариант девиатора деформаций I₂(D_ε) , для чего из горной выработки в зоне опорного давления бурят измерительную скважину, в очищенную скважину помещают 3-х компонентный деформометр, ориентированный относительно главных компонент напряжений, и измеряют в определенный момент времени радиальные и осевые смещения пород, затем через установленный промежуток времени измерения повторяют, после чего строят графики зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени и по точке перехода первого инварианта через максимум определяют момент времени наступления предельного состояния пород, а соответствующее ему значение относительной энергетической прочности материала рассчитывают по формуле:

где C_μ - параметр, зависящий от структуры горных пород, после этого производят оценку предельного напряженного состояния массива.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Для решения поставленной задачи в породном массиве измеряют компоненты тензора активных деформаций некоторого элементарного объема среды, для которого выполняется условие λ ≪ L ≪ Z , где λ - масштаб естественной неоднородности массива (трещины, кристаллы и т.д.), Z - макроскопический масштаб задачи (размер зоны влияния выработки) и L - размер элементарного объема, принимаемый равным базе измерения смещения пород. По компонентам деформаций определяют I-ый инвариант тензора деформаций I₁(T_ε) и корень квадратный из II-го инварианта девиатора деформаций . Указанные инварианты широко применяются в теории пластичности (Качанов Л.М. Основы теории пластичности., М.; Недра, 1969, с.418).

По физическому смыслу первый инвариант I₁(T_ε) выражает относительное изменение объема, а корень квадратный из второго - относительное суммарное изменение формы малого элемента среды. По указанным инвариантам рассчитывают характеристики с более высокой степенью обобщения, а именно: относительное гидростатическое давление:

и относительную энергетическую прочность материала
P^*= C_μK2Б

, (2)
где C_μ - параметр, зависящий от структуры горных пород, а именно от коэффициента поперечных деформаций материала. На основании теории размерностей можно показать, что при равенстве третьего (кубического) инварианта тензора деформаций I₃(D_ε) = 0 , представление K_Б в формуле (I) единственно. Структура формулы (I) не изменяется при расчете K_Б через компоненты напряжений (при пропорциональном нагружении). Относительное гидростатическое давление K_Б изменяется oт . При одноосном сжатии K_Б = +1, при одноосном растяжении K_Б = -1, а при чистом сдвиге K_Б = 0. Чем больше условия нагружения элемента породы приближаются к равномерному всестороннему сжатию, тем "мягче" схема нагружения этого элемента, и, наоборот, чем больше условия нагружения приближаются к всестороннему растяжению, тем жестче схема нагружения. Указанный показатель не совпадает с известным в геомеханике понятием о "жестком" и "мягком" нагружении образца породы испытательной машиной. Показатель P^*, называемый относительной энергетической прочностью материала в пределах малого объема породы, выражает соотношение между удельной потенциальной энергией изменения объема и удельной потенциальной энергией изменения формы рассматриваемого малого объема породы.

Определив показатель K_Б, строят график зависимости первого инварианта тензора деформаций I₁(T_ε) от времени. Как показывают лабораторные испытания образцов пород, в условиях одноосного и многоосного нагружения функция I₁(T_ε) представляет собой немонотонную кривую с ярко выраженным перегибом, отражающим момент начала увеличения объема материала. По этой точке определяют момент времени t^* наступления предельного состояния материала, а соответствующую величину относительной энергетической прочности рассчитывают по формуле (2). При этом под предельным состоянием материалов подразумевается возникновение в них заметных пластических деформаций и разрушения (см., например. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела, том. 1, М.; Недра, 1975, с.832).

Физическая сущность способа заключается в использовании свойств горных пород изменять свой объем соответственно характеру нагружения.

На фиг. 1 показана схема расположения измерительной скважины с деформометром относительно выработки; на фиг. 2 показан график зависимости первого инварианта тензора деформаций I₁(T_ε) элементарного объема породы от времени t; на фиг. 3 - устройство для осуществления способа (трехкомпонентный скважинный деформометр). Способ осуществляют следующим образом. На изучаемом участке (см. фиг.1) горного массива выбирают выработку 1 подверженную влиянию опорного давления. Из стенки выработки бурят скважину 2, ориентированную относительно элементов залегания пласта 3. Скважину тщательно очищают от буровой мелочи и пыли. В скважину досылают 3-х компонентный скважинный деформометр 4 и в намеченной точке массива измеряют смещения стенок скважины в трех ортогональных направлениях X, Y, Z, обусловленных влиянием прямого упругого последействия и других факторов. Интервал времени между отдельными измерениями определяют в зависимости от скорости смещения стенок. Измерения прекращают, когда соотношение между наименьшей и наибольшей компонентами смещений превышает единицу. Затем по измеренным смещениям рассчитывают компоненты деформаций пород, далее - первый инвариант тензора деформаций I₁(T_ε) и корень квадратный из второго инварианта девиатора деформаций . После чего строят график (см. фиг.2) зависимости первого инварианта деформаций от времени I₁(T_ε) = ϕ(t) . Установив по указанному графику точку "А"^ перехода первого инварианта деформаций через максимум I₁(T_ε)_max определяют момент t^* времени наступления предельного состояния пород. Соответствующее значение относительной энергетической прочности материала определяют по формуле (2).

Примером реализации способа может служить оценка эффективности мероприятий по предупреждению пучения пород в окрестности горной выработки. Применяемый для этой цели традиционный способ измерения смещений пород при помощи глубинных реперов не позволяет получить информацию о напряженно-деформированном состоянии пород в глубине массива и требует больших затрат времени. В соответствии с предлагаемым способом в пучащем слое пород из выработки проходят при помощи станка для кернового бурения (типа НКР) скважину диаметром 59 мм. Длину скважины выбирают такую, чтобы скважина пересекла зону концентрации напряжений ("пик" опорного давления). Для получения сравнительно быстро, примерно, в течение одного часа, необходимой информации деформометр располагают в районе "пика" опорного давления, ориентировочно на расстоянии 1 м от стенки выработки. Затем фиксируют время и производят первоначальные отсчеты по трем датчикам скважинного деформометра. Относительно этих первоначальных отсчетов в дальнейшем определяют смещения пород в трех направлениях. При измерениях в относительно слабых породах (глинистые, углистые сланцы, соли и др.) интервал времени между измерениями принимают равными 5 мин. Полученные графики смещения пород во времени являются базой для расчетов деформаций и инвариантов . Далее строят графики зависимости I₁(T_ε) = ϕ(t) . По этому графику фиксируют время t^* перехода функции I₁(T_ε) через максимум I₁(T_ε)_max . Соответствующее этому моменту величину показателя P^* рассчитывают по формуле (2). Если в течение отведенного времени для измерений предельное состояние пород не наступило, т.е. график зависимости I₁(T_ε) = ϕ(t) оказался монотонным, то максимальную величину относительной энергетической прочности определяют по последнему измерению. После проведения мероприятий проходят по этому же пласту вторую скважину и повторяют циклы измерений смещений аналогично описанному. В заключение сравнивают максимальные величины относительной энергетической прочности пород и по ним оценивают эффективность мероприятий.

На фиг. 3 показано устройство для измерения деформаций горных пород.

Устройство содержит корпус 1, полый установочный стержень 2, закрепленный в корпусе 1 между перегородками 3 при помощи гаек 4, ползуны 5 и 6, размещенные на стержне 2 и выполненные в виде втулок с крестообразными пазами, упругие элементы 7 с гайками 8 регулировки, установленными на стержне 2 между ползунами 5 и 6 и перегородками 3, штоки 9, размещенные внутри стержня 2 и связанные посредством штифтов 10 с ползунами 5 и 6, стойки 11 и 12, закрепленные на стержне 2 параллельно соответствующим пазам ползунов 5 и 6 и повернутые относительно друг друга на 90^o, направляющее устройство 13 передвижной репер 14, торец которого сопряжен с сердечником одного из трех преобразователей 15 линейных перемещений через подвижную головку 16 устройства при измерении продольных деформаций, два других преобразователя 15 взаимодействуют с концами штоков 9 при измерении поперечных деформаций, и с подвижной головкой 26, элементы передачи деформаций, выполненные в виде четырех пар рычагов 17, 18 (две пары рычагов, расположенные перпендикулярно плоскости чертежа, не показаны). Одни концы рычагов 17 и 18 соединены при помощи подшипников качения 19, предназначенных для контакта со стенками скважины, а вторые шарнирно прикреплены к концам стоек 11 или 12 и ползунам 6 или 5 соответственно. Один из пазов ползунов 5 и 6 образован щечками 20 с отверстиями для закрепления концов рычагов 17 и 18, во втором пазу размещаются стойки 11 и 12. Концы длинных 17 и коротких 18 рычагов двух пар, расположенных в одной плоскости, присоединены соответственно к стойке 11 и щечкам 20 ползуна 6, а концы рычагов аналогичных двух пар, расположенных в перпендикулярной плоскости, прикреплены соответственно к стойке 12 и щечкам (не показаны) ползуна 5.

Направляющее устройство 13 прикреплено к корпусу 1 и представляет собой систему, включающую восемь пар рычагов 17 и 18, соединенных со стороны стенок скважины подшипниками 19. Другие концы рычагов присоединены к стойкам 11 и подвижным ползунам 21. Подвижные ползуны соединены упругим элементом 22. Аналогичную конструкцию имеет передвижной репер 14. С последним контактирует головка 16, включающая упругий элемент 23, перегородку 24 и гайку 25 для регулировки. Головка 16 соединена с преобразователем 15 линейных перемещений.

Каждый преобразователь 15 линейных перемещений представляет собой индуктивный датчик с частотным выходом сигнала, состоящий из корпуса с установленной в нем катушкой индуктивности с выступающим сердечником, пружины и держатели (на черт. не показаны). Катушка с навесными электронными элементами залита компаундом.

Устройство работает следующим образом.

В скважине в начале при помощи специального досыльника устанавливается передвижной репер 14 и основное устройство до контакта с передвижным репером. Во время движения репера и устройства в скважине подшипники 19 рычагов 17 и 18 автоматически прижимаются к стенкам за счет усилия упругих элементов. При достижении заданной глубины в скважине передвижной репер и устройство фиксируются в определенном положении. Деформации скважины в поперечном направлении воспринимаются через подшипники 19 двумя парами рычагов. Короткие рычаги 18, укрепленные на стойке 11, поворачиваются относительно этой стойки, передают движение длинным рычагом 17, а последние толкают ползун 6. В свою очередь, ползун 6 через штифт 10 сообщает движение штоку 9, а шток воздействует на сердечник преобразователя 15 линейных перемещений. Одновременно аналогичное движение совершает другая пара рычагов (не показана), перемещая ползун 5 по установочному стержню 2.

При этом движение штока 9 передается другому преобразователю 15 линейных перемещений, установленному с другой стороны стержня 2.

Одновременно с перемещениями рычагов в поперечном направлении перемещается головка 16, передавая осевые смещения пород сердечнику преобразователя линейных перемещений 15. Смещения пород в осевом направлении происходит в результате деформации пород в интервале базы измерений, определяемой расстоянием между передвижным репером 14 и направляющим устройством 13. Движение ползунов 5 и 6 и соответственно пар подшипников 19 в противоположных направлениях вдоль оси скважины, а также движение головки 16, позволяет измерять деформации в скважине в трех взаимно ортогональных направлениях. Благодаря указанному увеличению информативности достигается расширение функциональных возможностей устройства.

Использование в качестве преобразователя линейных перемещений индуктивного датчика с частотным выходом сигнала позволяет производить измерения относительных деформаций с высокой точностью порядка 10^-5 и передавать сигнал на расстояние до 2000 м.

Предлагаемый способ позволяет оценить напряженное состояние массива горных пород в естественных условиях без привлечения математического аппарата для решения объемных задач. Исходными данными для его реализации являются зависимости смещений пород в пространстве и во времени. Способ может быть использован для решения сложных геомеханических задач, как-то: определение структурной устойчивости горных выработок; расчет ресурса работоспособности предохранительных целиков; прогнозирование динамических явлений; оценка эффективности технологических приемов при сонации предприятий добывающей промышленности.

Для осуществления способа предлагается устройство, обладающее следующими достоинствами: возможность измерения смещений пород в трех направлениях; высокая точность измерения (1•10^-5) и передача сигнала на расстояние до 2000 м; компактность.

Использование: для обеспечения структурной устойчивости горных выработок и безопасного выполнения подземных работ в горной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: способ оценки предельного напряженного состояния пород включает бурение скважины из горной выработки в зоне опорного давления, измерения радиальных и осевых смещений пород и интерпретацию замеров. Скважину бурят в зоне опорного давления относительно элементов залегания пласта, измеряют радиальные и осевые смещения пород, в качестве характеристик напряженного состояния выбирают первый инвариант тензора деформаций и второй инвариант девиатор деформаций после чего строят график зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени и по точке перехода первого инварианта через максимум определяют момент времени наступления предельно о состояния горных пород, а соответствующее ему значение относительной энергетической прочности материала рассчитывают по определенной формуле. Устройство для измерения деформаций горных пород снабжено передвижным репером, дополнительным преобразователем для измерения смещений пород вдоль оси скважины, сердечник которого связан с торцом передвижного реперп через подвижную головку устройства и направляющим устройством относительно оси скважин, при этом передвижной репер размещен на оси скважины за корпусом устройства, а дополнительный преобразователь встроен в торце устройства, причем передвижной репер и направляющее устройство образуют базу устройства при определении деформации пород вдоль оси скважины. 3 ил.

1. Способ оценки предельного напряженного состояния горных пород в объемном поле сжимающих напряжений горного массива, включающий бурение скважин из горной выработки, измерение смещений пород через определенный момент времени с помощью деформометра и интерпретацию замеров, отличающийся тем, что скважину бурят в зоне опорного давления относительно элементов залегания пласта, измеряют радиальные и осевые смещения пород, в качестве характеристик напряженного состояния выбирают первый инвариант тензора деформаций J₁(T_ε) и второй инвариант девиатора деформаций J₂(D_ε) после чего строят график зависимости первого инварианта тензора деформаций от времени и по точке перехода первого инварианта через максимум определяют момент времени наступления предельного состояния горных пород, а соответствующее ему значение относительной энергетической прочности материала рассчитывают по формуле

где C_μ - параметр, зависящий от структуры горных пород,
после этого производят оценку предельного напряженного состояния пород. 2. Устройство для измерения деформаций горных пород, содержащее корпус, закрепленный в нем установочный стержень, стойки, закрепленные на противоположных концах стержня и повернутые одна относительно другой на 90^o, ползуны в виде размещенных на стержне втулок с двумя крестообразными пазами каждая, штоки, установленные внутри стержня и связанные с ползунами, преобразователи линейных перемещений, соединенные с торцами штоков, и элементы передачи деформации, связанные с ползунами, отличающееся тем, что оно снабжено передвижным репером, дополнительным преобразователем для измерения смещений пород вдоль оси скважины, сердечник которого связан с торцом передвижного репера через подвижную головку устройства, и направляющим устройством относительно оси скважины, при этом передвижной репер размещен на оси скважины за корпусом устройства, а дополнительный преобразователь встроен в торце устройства, причем передвижной репер и направляющее устройство образуют базу устройства при определении деформаций пород вдоль оси скважины.