Способ определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород Российский патент 2024 года по МПК G01B11/16 G01N3/40 

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород.

Известен способ измерения механических напряжений в массиве горных пород по авторскому свидетельству СССР № 846730, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №26 от 15.07.1981 г., заключающийся в измерении давления рабочего тела в полости компенсатора с подвижной плоской передающей площадкой, помещенного в контролируемую зону. При его реализации в массиве горных пород бурят по направлению к контролируемой зоне исследовательскую скважину, а из ее забоя в контролируемой зоне проходят соосную с ней измерительную скважину и размещают в ней тензодатчики для контроля за осевой деформацией массива, затем устанавливают компенсатор на забой исследовательской скважины, после чего контролируемую зону разгружают от действующих в ней напряжений, одновременно давлением рабочего тела компенсатора воздействуют на передающую площадку до первоначальных показаний тензодатчиков и по давлению рабочего тела компенсатора судят о нормальных напряжениях в массиве. Разгрузку контролируемой зоны от действующих в ней напряжений производят бурением кольцевой щели, соосной с измерительной скважиной. В результате реализации способа находят среднее нормальное напряжение в контролируемой зоне.

Общим у аналога с предлагаемым способом является проходка кольцевой щели, разгружающей горный массив в ее окрестности.

Реализация способа подразумевает получение и сохранение цельных кольцевых кернов, что является сложной задачей, особенно на большой глубине в массиве горных пород и в условиях повышенной трещиноватости. Сложность надежной фиксации тензодатчиков на внутренней поверхности керна обуславливает низкую технологичность и большую погрешность измерений. Кроме того, по результатам измерений невозможно определить НДС в контролируемой зоне, определяется лишь среднее нормальное напряжение.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является комплексный способ определения НДС объектов геотехнологии по патенту РФ № 2597660, кл. G01B 11/16, опубл. в БИ №26 от 20.09.2016 г., заключающийся в измерении деформаций между стенками разгрузочной щели. Его реализация основана на применении кольцевой разгрузочной щели для измерения деформаций частичной разгрузки со стороны массива и деформаций полной разгрузки в обуренном керне, в центральном шпуре которого затем устанавливают прессиометр, задают пошаговую нагрузку в керне и измеряют наведенные деформации, при этом деформации трех видов: частичной разгрузки массива, полной разгрузки и наведенные в керне измеряют по схеме установки реперных линий, составляющих тензор деформаций. В результате с одной установки измеряют деформации трех видов и значения нагрузки в керне, по которым рассчитывают упругие характеристики материала или породы и, в итоге, определяют величины и направления действия главных напряжений в месте образования керна.

Общим у прототипа с предлагаемым способом является нанесение реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели на поверхность исследуемого массива горных пород, затем проходка указанной кольцевой разгрузочной щели, измерение радиальных смещений реперных точек и определение НДС массива горных пород.

Недостатками способа является отсутствие возможности нахождения НДС как внутри керна, так и снаружи его в массиве горных пород с цилиндрической выработкой ввиду отсутствия информации о тангенциальных смещениях на контуре образующегося керна и образующейся выработки. Также недостатком, по сравнению с прототипом, является установка большого количества реперных точек.

Проблема – повышение эффективности определения НДС в керне и всем массиве горных пород за счет уменьшения количества реперных точек, смещения которых измеряют, при уменьшении общего количества измерений и изменении формы кольцевой разгрузочной щели.

Указанная проблема решается тем, что в способе определения НДС массива горных пород, заключающемся в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходке указанной кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных смещений реперных точек, определении НДС массива горных пород, согласно техническому решению дополнительно измеряют тангенциальные смещения реперных точек на границе от контурной координаты, лежащих на внутренней стороне указанной кольцевой разгрузочной щели, в керне, определяют функциональные зависимости радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты указанной кольцевой разгрузочной щели и по ним путем решения 2-ой краевой задачи теории упругости определяют НДС в месте образования керна, а также смещения реперных точек на внутренней и внешней границе контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки, по смещениям этой границы путем решения задачи Коши определяют НДС всего массива горных пород, включая контур выработки.

Указанная совокупность признаков позволяет при определении НДС в окрестности кольцевой разгрузочной щели уменьшить количество реперных точек, смещения которых измеряют, за счет измерения только расстояний между ними для определения радиальных и тангенциальных смещений, и тем самым сократить объем выполняемых измерений, повышая их эффективность.

В случае выработки произвольной формы (в том числе и кольцевой) для определения НДС в любой точке горной выработки, как на поверхности, так и в глубине, применяют гипотезу плоского напряженного состояния (на поверхности) и гипотезу плоской деформации (в глубине). Реперные точки наносят внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели, затем проходят кольцевую разгрузочную щель и измеряют радиальные и тангенциальные смещения реперных точек по разные стороны кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения на контуре и строят функциональные зависимости смещений от контурной координаты горной выработки. Контурная координата является длиной дуги или, в случае кольцевой выработки, полярным углом, отсчитываемым от выбранной нулевой точки. Далее, решая краевую задачу теории упругости Коши, определяют НДС массива горных пород в любой точке горной выработки.

Целесообразно указанную кольцевую разгрузочную щель проходить в форме, повторяющей форму исходной горной выработки. Это позволяет определить НДС всего массива горных пород, включая контур выработки, и тем самым сократить объем проводимых измерений, повышая эффективность способа.

Сущность способа определения НДС массива горных пород поясняется на примере конкретного вычисления полных смещений на контуре горной выработки и контуре кольцевой разгрузочной щели, чертежами фиг. 1-3: на фиг. 1 показан вид контура кольцевой разгрузочной щели со смещениями с ее внутренней стороны вдоль вертикальной оси симметрии, где 1 – забой горной выработки; 2 – контур кольцевой разгрузочной щели; на фиг. 2 показана четверть контура 2 кольцевой разгрузочной щели 3, в точках Т₁, Т₂, Т₃ которого измеряют радиальные и тангенциальные смещения; на фиг. 3 – вид забоя горной выработки 1 с кольцевой разгрузочной щелью 3, керном 4 и реперными точками А и Б по ее внешней и внутренней сторонам, полные смещения которых измеряют.

Способ реализуют следующим образом. Близко к контуру 2 предполагаемой кольцевой разгрузочной щели 3 (фиг. 1) внутри него устанавливают реперную точку Б. Предполагают, что на массив горных пород действует неизвестная нагрузка P, за счет которой реперная точка Б имеет смещение u₂. Точкой отсчета радиальных смещений является точка О – центр создаваемого керна 4.

Проходят круговую кольцевую разгрузочную щель 3 шириной, не препятствующей разгрузочным деформациям, и глубиной h, равной 2 – 2,5 ее диаметра, так, чтобы реперная точка Б осталась внутри керна 4. За счет разгрузки керна 4 произойдут смещения его границы, в том числе и реперной точки Б. Измеряя радиальные смещения в реперной точке Б, получают их значения u₂₀, по которым устанавливают значение в керне 4 до разгрузки, образованное за счет давления P.

На фиг. 2 показана четверть контура 2 кольцевой разгрузочной щели 3 с реперными точками Т₁, Т₂, Т₃, в которых измеряют радиальные смещения контура 2 кольцевой разгрузочной щели 3 образуемого керна 4 в точках с полярными углами . Посредством измерения расстояний от точки О до указанных точек, в реперной точке Т₂ определяют тангенциальное смещение по результатам измерения расстояний между реперными точками Т₁, Т₂, и реперными точками Т₂, Т₃ до образования кольцевой разгрузочной щели 3 и после. Измерения производят механическим способом, методом фоторегистрации или методом тензометрии.

Функциональные зависимости для радиальных u_r и тангенциальных u_θ смещений от полярного угла θ на границе керна 4 от контурной координаты в случае, когда эти смещения распределены симметрично относительно прямой и ей перпендикулярной, можно получить, используя формулы:

где A, B, С – константы;

– полярный угол;

θ ₀ – угол, задающий направления главных осей тензора напряжений.

Для нахождения констант A, B достаточно произвести измерения изменения расстояний между реперными точками Т₁, Т₂, Т₃. Точкой отсчета радиальных и тангенциальных смещений является точка О – центр создаваемого керна 4. Пусть смещения в реперных точках Т₁, Т₂, Т₃ равны соответственно u₁, u₂, u₃. При значениях полярного угла из 1-й формулы (1) получаем следующую систему уравнений:

В результате решения (2) находим следующие формулы для значения угла θ₀ и коэффициентов B, A:

где u₁, u₂, u₃ – полученные значения смещений в реперных точках Т₁, Т₂, Т₃ соответственно.

где u₁, u₂, u₃ – полученные значения смещений в реперных точках Т₁, Т₂, Т₃.

где u₁, u₃ – полученные значения смещений в реперных точках Т₁, Т₃.

Константу C, входящую в (1), находят по формуле:

где ΔТ₂₁ – приращение расстояния между реперными точками Т₁ и Т₂ (фиг. 2).

В случае горной выработки произвольной формы для определения НДС в любом месте забоя по контуру 2 предполагаемой разгрузочной щели 3, выполняемому в масштабе к реальной выработке, близко друг к другу устанавливают реперные точки А и Б (соответственно снаружи и внутри контура 2 кольцевой разгрузочной щели 3 на фиг. 3). Предполагают, что на массив горных пород действует неизвестная нагрузка P, за счет которой реперные точки А и Б имеют смещения u₁ и u₂ соответственно. Точкой отсчета радиальных и тангенциальных смещений является точка О – центр создаваемого керна 4. Смещения u₁ и u₂ равны между собой в силу непрерывности смещений и близости реперных точек А и Б.

После проходки кольцевой разгрузочной щели 3, повторяющей форму контура 2 исходной выработки, за счет разгрузки произойдут смещения внутренней и внешней границ кольцевой разгрузочной щели 3 и соответственно реперных точек А и Б: полное для реперных точек Б и частичное для реперных точек А. При создании кольцевой разгрузочной щели 3 реперные точки на ее внешней границе (типа А на фиг. 3) получают дополнительные смещения u₃, вызванные образованием выработки с границей, совпадающей по форме с внешней границей кольцевой разгрузочной щели 3. В результате полные радиальные и тангенциальные смещения контура образуемой горной выработки как на забое, так и в глубине массива горных пород становятся равными (фиг. 3). Функциональные зависимости смещений на границе керна 4 от контурной координаты строят аналогично предыдущему случаю (формулы 1-6).

Таким образом, предложенный способ позволяет получить формулы для вычисления полных смещений контура горной выработки по контурной координате, которые используют для определения НДС массива горных пород вокруг горной выработки произвольной формы. Знания радиальных и тангенциальных смещений на границе керна 4 и выработки достаточно для определения НДС как внутри образуемого керна 4, так и в массиве горных пород с выработкой. Для этого для керна 4 решают 2-ю краевую задачу теории упругости, а для массива горных пород с выработкой краевую задачу Коши, когда на границе керна 4 от контурной координаты одновременно задают вектор напряжения Коши и вектор перемещений.

Измерения смещений производят механическим способом, методом фоторегистрации или методом тензометрии посредством измерения расстояний между реперными точками. В случае определения полных смещений реперных точек на границе образуемой выработки отмечают реперные точки А и Б (например, краской) в местах, показанных на фиг. 3. При использовании механического способа для определения НДС внутри массива горных пород в реперных точках А и Б сверлят отверстия и запрессовывают металлические стержни с выступающими над поверхностью забоя концами. Тензометрический способ используют для определения НДС массива пород на поверхности.

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и используется для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Способ заключается в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели на поверхности исследуемого массива горных пород, проходке указанной кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных смещений реперных точек. Дополнительно измеряют тангенциальные смещения реперных точек, определяют функциональные зависимости радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты указанной кольцевой разгрузочной щели и по ним путем решения 2-й краевой задачи теории упругости определяют НДС в месте образования керна, а также смещения реперных точек на внутренней и внешней границе контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки, а по смещениям этой границы путем решения задачи Коши определяют НДС всего массива горных пород. Технический результат – повышение эффективности определения НДС в керне и всем массиве горных пород за счет уменьшения количества реперных точек, смещения которых измеряют, при уменьшении общего количества измерений и изменении формы кольцевой разгрузочной щели. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, заключающийся в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходке указанной кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных смещений реперных точек, определении напряженно-деформированного состояния массива горных пород, отличающийся тем, что дополнительно измеряют тангенциальные смещения реперных точек на границе от контурной координаты, лежащих на внутренней стороне указанной кольцевой разгрузочной щели, в керне, определяют функциональные зависимости радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты указанной кольцевой разгрузочной щели и по ним путем решения 2-й краевой задачи теории упругости определяют напряженно-деформированное состояние в месте образования керна, а также смещения реперных точек на внутренней и внешней границе контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки, по смещениям этой границы путем решения задачи Коши определяют напряженно-деформированное состояние всего массива горных пород, включая контур выработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанную кольцевую разгрузочную щель проходят в форме, повторяющей форму исходной горной выработки.