Способ определения напряжений массива пород в подземной горной выработке кольцевой щелью Российский патент 2025 года по МПК G01B5/30 

Изобретение относится к обследованиям объектов геотехнологии в области геомеханики (наука и отрасли горнодобывающей промышленности). Данное изобретение может быть использовано для оперативного определения напряжений на стенках горных выработок.

Назначение данного изобретения связано с решением геомеханических задач - определением фактических значений и направления главных действующих напряжений в массиве горных пород. Данный способ может быть реализован в научно-исследовательской деятельности, служащей для обеспечения безопасного ведения горных работ в подземных условиях.

Известен метод определения напряжений при бурении кольцевой щели методом частичной разгрузки с наклейкой тензодатчиков (Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. Способ частичной разгрузки с наклейкой тензодатчиков. - М., 1994, - 208 с.). В данном способе измерения деформаций осуществляют с помощью наклеенных тензодатчиков с последующим бурением разгрузочного шпура, напряжения в массиве определяют по известным формулам.

Недостатком вышеуказанного метода является сложность применения его во влажном и трещиноватом массиве, а процессы подготовки оборудования и наклейки тензодатчиков занимают большую часть времени на проведения исследований.

Широко известен и часто применяем при определении действующих напряжений в массиве «Метод щелевой разгрузки», который используется совместно с закладкой реперов вдоль разбуриваемой щели (Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. Метод частичной разгрузки с наклейкой тензодатчиков. - М., 1994, - 208 с. и Влох Н.П. Совершенствование метода щелевой разгрузки / Н.П. Влох, А.В. Зубков, Ю.Г. Феклистов // Диагностика состояния породных массивов: Сб. тр. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980. - С. 30 - 35. К недостаткам данного метода можно отнести значительную трудоемкость при формировании разгрузочной щели, измерение деформаций производится только в горизонтальном или вертикальном направлениях, что увеличивает объем работ на участках исследования.

Также, известен «Комплексный метод определения напряженно-деформированного состояния объектов геотехнологии» (RU № 2597660, опубл. 24.08.2016). В данном методе применена схема с обуриванием кольцевой щели, и заложением реперов/марок. Также, предложено описание разработанной схемы (Феклистов Ю.Г. Деформационный способ комплексного определения напряженного состояния и упругих характеристик горных и строительных объектов // Проблемы недропользования. 2017. №4 (15). - С. 28-32.). Данный источник служит прототипом для изобретения. Достоинством предложенной схемы является большая информативность полученных данных на разных этапах измерений. Однако, к недостаткам метода можно отнести длительность процесса проведения исследований и значительную трудоемкость выполнения эксперимента.

Задачей предлагаемого способа является определение напряженного состояния массива горных пород, с целью получения данных более достоверных измерений деформаций в стенках горных выработок для обеспечения безопасности эксплуатации горных выработок.

Технический результат заключается в получении значений главных напряжений массива горных пород и угла направления их действия, позволяющие достоверно оценивать безопасности эксплуатации горных выработок.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа определения напряжений массива пород в подземной горной выработке, основанного на определении напряжений разгрузки массива горных пород с последующим измерением деформаций до и после бурения разгрузочной кольцевой щели и включающем бурением кольцевой разгрузочной щели, причем, вначале осуществляют размещение реперов на стенке горной выработки на расстоянии 3 радиусов от центра разгрузочной щели в трех направлениях: вертикальном, горизонтальном и под углом в 45 градусов, после чего производят начальные измерения абсолютных деформаций, затем производят бурение кольцевой щели, с последующим измерением абсолютных деформации разгрузки, с помощью полученных данных производят вычисление главных нормальных напряжений и направления их действия.

Изобретение поясняется чертежом, где:

Фиг. 1 - Схема определения напряжений массива пород в подземной горной выработке кольцевой щелью.

Пример осуществления изобретения:

(Фиг. 1) маяк-репер 1 закладывается по оси X (по оси горной выработки) вдоль радиуса-вектора r₁, маяк-репер 2 закладывается под углом 45 градусов от оси X, вдоль радиуса-вектора r₂, аналогичным образом закладывается репер 3 на оси Y вдоль радиуса-вектора r₃. С противоположной стороны скважины напротив репера 1, 2 и 3 закладываются репера 1′, 2′ и 3′ на расстоянии, равном 3 радиуса щели. После бурения скважины на глубину H равную не менее двух диаметров щели. Далее производятся измерения абсолютных горизонтальных деформаций между реперами 1-1′, абсолютных деформаций под углом 45 градусов от оси X между реперами 2-2′ и абсолютных вертикальных деформаций ( между реперами 3-3′.

По приведенной схеме определяют значения главных напряжений , ) и угол действия главных напряжений относительно оси X по формулам (1) и (2) соответственно, используя которые вычисляют величины действующих главных напряжений в горной выработке:

(1)

(2)

Таким образом предлагаемый способ отличается от остальных тем, что достаточно всего три базы измерений (1-1′, 2-2′, 3-3′) абсолютных деформаций и основные физико-механические характеристики горных пород (модуль упругости и коэффициент Пуассона ), использование которых позволяет по формуле (1) и (2) оперативно определить главные напряжения и их направление действий в массиве горных пород.

Пример 1.

Заложение реперов осуществляют на расстоянии 3 радиусов от центра кольцевой щели. Бурение шпуров для фиксации реперов осуществляется аккумуляторным перфоратором с диаметром бура 6 мм. В качестве реперов 1, 1′, 2, 2′, 3, 3′ применяются металлические подшипники, которые запрессовываются в пробуренные шпуры. Измерение абсолютных деформаций между реперами производят механическим тензометром (типа ЦНИИС или аналоги) с базой измерения 300 мм, оборудованным индикатором часового типа с погрешностью измерений 0,001 мм. Бурение кольцевой щели производят коронкой алмазного бурения диаметром, равным 102 мм (и выше) на глубину H не менее 2-х диаметров (D) щели.

Значения измеренных деформаций служат для вычисления величины и направления действующих главных напряжений в горной выработке по формулам:

Вышеуказанные формулы были получены при решении плоской задачи теории упругости:

, (1)

(2)

где , - радиальные и тангенциальные смещения; - угол между радиус-вектором репера и направлением полного вектора смещений; - главные нормальные напряжения; R - радиус бурения щели; r - радиус-вектор репера; - модуль сдвига; E - модуль деформации; μ - коэффициент Пуассона; x = - коэффициент Колосова Г. В.; θ - угловая координата репера, отсчитываемая от до радиус-вектора репера против часовой стрелки.

Далее, составим систему уравнений (3) для определения абсолютных горизонтальных деформаций при бурении кольцевой щели для интервалов реперов 1-1', 2-2', 3-3:

(3)

где, - угол между и осью X;

, соответственно углы между осью х и радиус векторами 2-го и 3-го реперов.

Для определения главных нормальных напряжений (, ) и направляения их действия приведём систему уравнений (3) к следующему виду:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

где, , , , - определители системы уравнений (4);

;;

Решение системы уравнений (4) позволяет вычислить значения главных нормальных напряжений , и направление их действия угла относительно оси х по формулам:

(9)

(10)

Для определения величины угла находим четверть, в которой он расположен по знакам соотношений (числитель) и (знаменатель) по формуле 10. Направление действия главного нормального напряжения определяется углом, который откладывается от оси х по часовой стрелке.

Таким образом, поставленная задача решена, предлагаемый способ обеспечивает достаточную надежность и оперативность обработки результатов измерений, полученных данных действующих главных напряжений, позволяющих достоверно оценивать безопасность эксплуатации горных выработок.

Изобретение относится к обследованиям объектов геотехнологии в области геомеханики. Данное изобретение может быть использовано для оперативного определения напряжений на стенках горных выработок. Способ определения напряжений основан на разгрузке массива горных пород с последующим измерением деформаций до и после бурения разгрузочной кольцевой щели. Способ включает бурение кольцевой разгрузочной щели, причем вначале осуществляют размещение реперов на стенке горной выработки на расстоянии 3 радиусов от центра разгрузочной щели в трех направлениях: вертикальном, горизонтальном и под углом в 45 градусов. После чего производят начальные измерения абсолютных деформаций, затем производят бурение кольцевой щели, с последующим измерением абсолютных деформации разгрузки, с помощью полученных данных производят вычисление главных нормальных напряжений и направления их действия. Технический результат заключается в получении значений главных напряжений массива горных пород и угла направления их действия, позволяющих достоверно оценивать безопасности эксплуатации горных выработок. 1 ил.

Способ определения напряжений массива пород в подземной горной выработке кольцевой щелью, включающий бурение кольцевой разгрузочной щели, отличающийся тем, что вначале осуществляют размещение реперов на стенке горной выработки на расстоянии 3 радиусов от центра разгрузочной щели в трех направлениях: вертикальном, горизонтальном и под углом в 45 градусов, после чего производят начальные измерения абсолютных деформаций, затем производят бурение кольцевой щели, с последующим измерением абсолютных деформаций разгрузки, с помощью полученных данных производят вычисление главных нормальных напряжений и направления их действия.