Способ определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород Российский патент 2025 года по МПК G01B11/16 

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

Известен 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 аналога с предлагаемым способом является нанесение реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели на поверхность исследуемого массива горных пород, затем проходка кольцевой разгрузочной щели, измерение радиальных смещений реперных точек и определение по ним НДС массива горных пород по известным функциональным зависимостям.

Недостатками способа является установка большого количества реперных точек и использование дополнительного оборудования - прессиометра, для определения упругих характеристик породы.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения НДС массива горных пород по патенту РФ № 2812358, кл. G01B 11/16, G01N 3/40, опубл. в БИ № 4 от 30.01.2024 г., 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 НДС массива горных пород. 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 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 НДС в месте образования керна, а также смещения реперных точек на внутренней и внешней границах 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.

Общим у прототипа с предлагаемым способом является нанесение реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели, повторяющей контур выработки, на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходка кольцевой разгрузочной щели, измерение радиальных и тангенциальных смещений реперных точек, определение по ним функциональных зависимостей радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты кольцевой разгрузочной щели с дальнейшим решением задачи Коши для определения НДС всего массива горных пород, включая контур выработки.

Недостатками способа является сложность нанесения реперных точек непосредственно на поверхность массива, засорение и стирание нанесенных на поверхность реперных точек при сверлении кольцевой разгрузочной щели. Также недостатком, по сравнению с прототипом, является необходимость проходки кольцевой разгрузочной щели «сухим» методом, так как применение жидкости может повредить реперные точки. В прочных породах это усложняет процесс.

Проблема - повышение эффективности определения НДС в керне и всем массиве горных пород за счет применения новых методов регистрации, обработки и способа установки реперных точек.

Указанная проблема решается тем, что в способе определения НДС массива горных пород, заключающемся в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели, повторяющей контур выработки, на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходке кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных и тангенциальных смещений реперных точек, определении по ним функциональных зависимостей радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты кольцевой разгрузочной щели и по ним, путем решения 2-й краевой задачи теории упругости, определении НДС в месте образования керна, а также смещений реперных точек на внутренней и внешней границах контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки и после решения задачи Коши определяют НДС всего массива горных пород, включая контур выработки, согласно техническому решению сначала на поверхность забоя при помощи анкеров жестко крепят плиту с валами, по которым могут свободно двигаться в перпендикулярном к поверхности забоя направлении без радиального смещения траверса с дрелью, и платформа с фотокамерой, причем сначала при помощи установленной на дрели фрезы выравнивают поверхность забоя, затем при помощи шаблона в заданных относительно предполагаемой кольцевой разгрузочной щели положениях проходят отверстия, в которые запрессовывают стержни-реперы с метками на выступающих над поверхностью забоя на заданные расстояния их торцах, далее устанавливают платформу с фотокамерой и производят фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, затем устанавливают траверсу с дрелью и проходят кольцевую разгрузочную щель, а потом вновь устанавливают платформу с фотокамерой и производят повторную фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, а по полученным цифровым фотографиям определяют смещения координат торцов стержней-реперов с метками.

Указанная совокупность признаков позволяет увеличить точность определения смещений реперных точек и НДС, за счет применения стержней-реперов с метками, запрессованных на необходимую глубину забоя, фоторегистрации и обработки в графическом редакторе. Тем самым это позволяет сократить объем выполняемых измерений, повышая их эффективность.

Целесообразно все операции, проводимые на забое горной выработки осуществлять с помощью оснастки. Это позволяет определить НДС всего массива горных пород, и тем самым сократить объем проводимых измерений, повышая эффективность способа.

Сущность способа определения НДС массива горных пород поясняется примером установки оснастки на участке забоя горной выработки, чертежами фиг. 1-4: на фиг. 1 показан участок забоя горной выработки, где 1 - забой; 2 - анкера; 3 - плита; 4 - валы; P - действующая на массив неизвестная нагрузка; на фиг. 2 представлен вид оснастки сбоку, где 1 - забой; 5 - траверса для крепления дрели; на фиг. 3 показана установка шаблона 6 с отверстиями на плиту 3, где 7 - стрежни-реперы с метками; на фиг. 4 показан вид забоя 1 горной выработки с кольцевой разгрузочной щелью 8, керном 9 и реперными точками А и Б по ее внешней и внутренней сторонам. Точка О - центр создаваемого керна 9.

Способ реализуют следующим образом. На неподготовленном участке забоя 1 горной выработки при помощи анкеров 2 жестко крепят плиту 3 с валами 4, по которым могут свободно двигаться в перпендикулярном к поверхности забоя 1 направлении без радиального смещения траверса 5 с дрелью и платформа с фотоаппаратом (фиг. 1). Дрель крепят к траверсе 5, устанавливают на нее фрезу и выравнивают поверхность забоя 1 горной выработки (фиг. 2). Затем непосредственно на плиту 3 устанавливают шаблон 6 с отверстиями (фиг. 3), через которые проходят в выравненном забое 1 в заданных относительно предполагаемой кольцевой разгрузочной щели положениях снаружи (А) и внутри (Б) отверстия необходимой глубины. В эти отверстия запрессовывают стрежни-реперы 7 с метками, торцы которых находятся на заданном расстоянии от поверхности забоя 1 горной выработки. На платформу (на фиг. не показана) закрепляют фотокамеру, устанавливают ее на фиксированном расстоянии от плиты 3 и производят фоторегистрацию забоя 1 горной выработки и стрежней-реперов 7 с метками в исходном состоянии. На дрель устанавливают бурильную коронку и проходят кольцевую разгрузочную щель 8 шириной, не препятствующей разгрузочным деформациям, и глубиной h, равной 1,5-2 ее диаметра (фиг. 4). Кольцевая разгрузочная щель 8 повторяет контур выработки. С платформы производят повторную фоторегистрацию забоя 1 горной выработки и стрежней-реперов 7 с метками. Фотографии, полученные до бурения кольцевой разгрузочной щели 8 и после бурения загружают в графический редактор, где происходит определение радиальных и тангенциальных смещений и последующая обработка данных. Полученные радиальные и тангенциальные смещения на границе керна 9 (фиг. 4) и забоя 1 горной выработки позволяют определить НДС как внутри образуемого керна 9, так и в массиве горных пород с выработкой. Для этого для керна 9 решают 2-ю краевую задачу теории упругости, а для массива горных пород с выработкой - краевую задачу Коши, когда на границе керна 9 от контурной координаты задают вектор напряжения Коши и вектор перемещений.

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и может быть использовано для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Способ заключается в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели, повторяющей контур выработки, на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходке кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных и тангенциальных смещений реперных точек, определении по ним функциональных зависимостей радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты кольцевой разгрузочной щели и по ним путем решения 2-й краевой задачи теории упругости, определении НДС в месте образования керна, а также смещений реперных точек на внутренней и внешней границах контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки и после решения задачи Коши определяют НДС всего массива горных пород, включая контур выработки. Сначала на поверхность забоя при помощи анкеров жестко крепят плиту с валами, по которым могут свободно двигаться в перпендикулярном к поверхности забоя направлении без радиального смещения траверса с дрелью и платформа с фотокамерой, причем сначала при помощи установленной на дрели фрезы выравнивают поверхность забоя, затем при помощи шаблона в заданных относительно предполагаемой кольцевой разгрузочной щели положениях проходят отверстия, в которые запрессовывают стержни-реперы с метками на выступающих над поверхностью забоя на заданные расстояния их торцах, далее устанавливают платформу с фотокамерой и производят фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, затем устанавливают траверсу с дрелью и проходят кольцевую разгрузочную щель, а потом вновь устанавливают платформу с фотокамерой и производят повторную фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, а по полученным цифровым фотографиям определяют смещения координат торцов стержней-реперов с метками. Технический результат заключается в повышении эффективности определения НДС в керне и всем массиве горных пород. 4 ил.

Способ определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород, заключающийся в нанесении реперных точек внутри и снаружи контура кольцевой разгрузочной щели, повторяющей контур выработки, на поверхности исследуемого массива горных пород, затем проходке кольцевой разгрузочной щели, измерении радиальных и тангенциальных смещений реперных точек, определении по ним функциональных зависимостей радиальных и тангенциальных смещений реперных точек от контурной координаты кольцевой разгрузочной щели и по ним путем решения 2-й краевой задачи теории упругости, определении напряженно-деформированного состояния в месте образования керна, а также смещений реперных точек на внутренней и внешней границах контура кольцевой разгрузочной щели, по ним находят смещения границы рассматриваемой выработки и после решения задачи Коши определяют напряженно-деформированное состояние всего массива горных пород, включая контур выработки, отличающийся тем, что сначала на поверхность забоя при помощи анкеров жестко крепят плиту с валами, по которым могут свободно двигаться в перпендикулярном к поверхности забоя направлении без радиального смещения траверса с дрелью и платформа с фотокамерой, причем сначала при помощи установленной на дрели фрезы выравнивают поверхность забоя, затем при помощи шаблона в заданных относительно предполагаемой кольцевой разгрузочной щели положениях проходят отверстия, в которые запрессовывают стержни-реперы с метками на выступающих над поверхностью забоя на заданные расстояния их торцах, далее устанавливают платформу с фотокамерой и производят фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, затем устанавливают траверсу с дрелью и проходят кольцевую разгрузочную щель, а потом вновь устанавливают платформу с фотокамерой и производят повторную фоторегистрацию поверхности забоя со стержнями-реперами, а по полученным цифровым фотографиям определяют смещения координат торцов стержней-реперов с метками.