Способ определения деформационных характеристик массива горных пород Советский патент 1984 года по МПК E02D1/00 

Ч

4;: СО (У1

90 Изобретение относится к строите ству, в частности к инженерной гео логии . Известен способ определения мех нических характеристик горных поро путем образования щелей с поверхности грунта, приложения квазистат ческой нагрузки на стенки щелей с последующим замером давления в щелях, деформаций горной породы при нагружении и деформаций восстановл ния после снятия нагрузки jl . Однако способ не дает достоверных результатов при определении де формируемости горных пород в условиях естественного залегания, так как при выполнении щелей снимаются естественные напряжения массива, ч может вызвать необратимые изменения свойств породы. Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является спос определения деформационных характеристик массива горных пород, вкл чающий бурение скважин, размещение в них датчиков и приложение нагруз ки к исследуемому массиву горных пород 2 . Недостатки известного способа заключаются в том, что он имеет ограниченную область применения и не может быть использован при ис следовании высокопрочных скальных пород из-за малых деформаций, получаемых в глубине массива при поверхностном нагружении домкратами. Кроме того, ,деформационные характеристики получаются недостаточно достоверными, так как измерения де формаций горных пород производят в зоне влияния горной выработки, которая проводится при использовании известного способа. Цель изобретения - расширение области применения и повышение точности исследований. Цель достигается тем, что согласно способу определения деформационных характеристик массива горных пород, включающему бурение скв жин, размещение в ник датчиков и приложение нагрузки к исследуемому массиву горных пород, на границах исследуемого массива горных по род размещают восемь датчиков на- , пряжений, образующих приз1/1у, на пр мой между центрами оснований призм размещают датчик деформаций, иа этой же прямой на расстоянии от ис .следуемого массива, превышающем не менее, чем в 10 раз длину ребра призмы, размещают заряд взрывчатого вещества, а приложение нагрузки осуществляют путем взрыва заряда взрывчатого вещества. На чертеже представлена схема расположения скважин, датчиков и заряда взрывчатого вещества в исследуемом массиве. Способ осуществляется следующим образом. При определении, деформационных характеристик массива в окрестности выбранной точки М по- заданному направлению МК выбирают профиль КО на поверхности обнажения массива, и проекцию точки М на профиль КО принимают за начало отсчета (точка О), Скважинами 1 и 2 оконтуривают исследуемый объем 3 ABCDEFGH, ориентируя их попарно в двух параллельных плоскостях ABCD и EFGHo Характерный размер исследуемого объема 3 должен не менее, чем в 10 раз превышать характерный размер структурного блока массива Для этого одну пару оконтуривающих скважин 1 бурят из точки, расположенной на профиле КО, на расстоянии от начала отсчета О L. Lo-clcfoc -г--.- V 2 511л к. где Ь, -расстояние от точки М до профиля КО f -угол между профилем КО и ПЛОСКОСТЬЮ; образованной парой оконтуривающих сквалшн; расстояние между плоскостями оконтуривающих сква-жин, Угол выбирается так, чтобы нормаль к параллельным плоскостям ABCD и EFGH совпадала с направлением МК, по которому необходимо определить деформационные характеристики. Вторую пару оконтуривающих скважин 2 бурят из точки, расположенной на профиле Ко на расстоянии Ь.2 |Ц Ч 25Т) от начала отсчета О. Направления оконтуривающих 1 и 2 задаются углами . d ei п С v, 4 1 d 61 п зС eiiip iarctd- -.:- Ь :, -, о Глубина оконтуривающих скважин первой пары должна быть не менее (cos С. - sinci 2.si ПК.. COS (I I и глуринсч оконтуриваюш.их скважин второй пары должна быть не какее i -. Jl -lE5 l 5l l 2 Sivia- cos |1 Затем бурят измерительную скважину 5 через выбранную точку М в направлении нормали 4 из точки, расположенной на расстоянии от начала отсчета О, до глубины не 2Lo-t(3-cosct Ь/ - гг 2соб« Из точки, расположенной на проф ле ОК на расстоянии 143 от начала отсчета, бурят нагрузочную скважину б в одной плоскости с измерительной скважиной 5 на глубину не менееi 2Lo+ 9-coSe6 Qs noCCOSy под углом 6 ОС + К , где 2.R.6«nod ctgQ-Lo+dCOScc - расстояние от т ки пе есечения геометрической оси нагрузочной скважины 6 с геометрич кой осью измерительной скважины 5 до наиболее удаленной от поверхно ти обнажения массива 7 плоскости оконтуривающих скважин EFGH R выбирается из условия нагружения исследуемого объема 3 плоской волной напряжения в пределах (200-500) - R о где RO - радиус сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, но не менее, чем 10 cJ . В каждой оконтури вающей скважине первой пары на глу бинах -Lo-dtcosct+s noi 8 SinOC- CDS Р QLo-d.cosi)C ;4nfts) .- cos р и в каждой оконтуривающей скважине второй пары на глубинах 2Lo4(5(cOSoi+ 511101) 10 2sAn(X.oos р L ) .. cosp помещают датчики 8 напряжения, образующие призму, регистрирующие из менение напряженного состояния в двух направлениях (в плоскости п оконтуривающих скважин и перпейдикулярно этой плоскости), например по два однокомпонентных спаренных электрогидравлических датчика напр жений, повернутых на 90 относительно друг друга. Размещают в измерительной скваж не датчик 9 деформаций с базой, ра ной г так, чтобы датчик 9 весь н ходился в исследуемом объеме 3 и регистрировал изменение расстояния между точками измерительной скважи ны 5, расположенными ка глубинах ZLo+d-COSoi, 12 QCOSDC 2l.o-dco so6 2.cos 06 например, тензометрическую штангу. Размещают в нагрузочной скважине 6 в точке Р сосредоточенный заряд взрывчатого вещества 10, взрывая который, создают в массиве волну напряжения, и нагружают последней исследуемый объем 3. Замеряют в исследуемом объеме 3 с помощью датчиков 8 напряжения составляющие напряжений в направлении распространения волны 6„ и перпендикулярно направлению распространения волны (5, а с помощью датчика деформаций измеряют деформацию исследуемого объема в направлении распространения волны. Деформационные характеристики рассчитывают по известным формулам теории упругости: коэффициент 6j. коэффициент Пуассона; Ламе 7 dI Х --j-r- i модуль Юнга|Е -г(н + -0)((-2--г) Oj +Oii, : -V t модуль сдвига 2(US)) Деформационные характеристик.и вычисляются при однородном напряженном состоянии исследуемого объема, что контролируется равенством показаний датчиков напряжений, расположенных в дальней и ближней от заряда взрывчатого вещества параллельных плосКОСТЯХоПример. При проведении исследований на шахте, отрабатывающей месторождение железистых кварцитов, массив которых разбит трещинами на структурные блоки размерами S 0,,-3 м, определены следующие параметры эксперимента по определению деформационных характеристик окрестности точки М, расположенной в вертикальной плоскости ниже оси вентиляционного штрека на глубине 25 м. а направлении, задаваемом углом бО ; ОСЬЮ- вентиляционного штрека; характерный размер структурного блока 5 0,25 м характерный размер исследуемого объема d 2,5 м 106j угол наклона плоскостей оконтуривающих скважин (v; 30 ; угол между оконтуривающими ,скважинами 2 /3 2afci - - 2,6; угол наклона измерительной скважины 90 oi угол наклона йагрузочной скважины 2R-S(not с.I /к s S-CC4y oi4C,rctg расстояние от исследуемого объема до заряда взрываемого вещества R 10 ( 25 MJ сосредоточенный заряд взрывчатого вещества с характерным размером, равным диаметру скважины при проведении ее станком ИКР, - 100 Mj RO 0,1 м.

Таким образом, R 250- Й ,т,в измерения будут произведены в.дальней зоне взрыва, и исследуемый объем 5 будет нагружен плоской волной напряжений «

S 55,35°

Глубина измерительной скважины н менее L. 29,98 м. Глубина нагрузочной скважины не менее I 57,90 м.t .

Глубина оконтуривающих скважин первой пары не менее 1 49,10 м второй пары - не менее щ 53,42 м

Датчик деформаций (тензометрическая штаМга) должен регистрировать изменение расстояния меяяу точкаivui измерительной сквансины, расположенными на глубинах Ц 29,98 м и Л,з 27,48 м.

Датчики напряжений (спаренные злектрогидравлические) помещаются в оконтуривающих скважинах на глубине: в скважинах первой пары 1( g 49,10 ми Lq 46,бОгМ, в скважинах второй пары 1.д 53,42 м

50,92 м.

М4

Заряд взрывчатого вещества помещается в нагрузочной скважине на глубине li 7 57j90 м.

Датчики деформаций и напряжений подсоединяются через тензоусилитель к осциллографу типа Н-700 по одиому датчику на каждый канал и на один канал сигнал генератора звуковой частоты для получения меток

времени на осциллограмме. Осуществлянзт взрыв заряда взрывчатого вещества, регистрируя изменения напряжений в деформации исследуемого объемаf и.после обработки осциллоrpaiiiM по приведенным формулам определяют деформационные х-арактеристики,

предлагаемый способ определения деформационных характеристик горных пород обладает по сравнению с известным большей достоверностью результатов измерения, так как благодаря предлагаемому расположению скважин и заряда взрывчатого вещества измерения могут проводиться на значительном удалении от обнаженной поверхности массива, ограниченном только возможностям современного бурового оборудования, что позволяет исключить влияние обнаженных поверхностей массива и ведущихся горных работ и позволяет проводить из Jepeния при естественном напряженном состоянии горных пород. Использование изобретения позволяет определить деформационные характеристики объемов массива, соизмеримых или превышающих размеры предлагаемого инженерного сооружения

Кроме того, изобретение позволяет измерять деформационные характеристики весьма, крепких скальных пород. В известных способах нагружение скальных пород с помошью гфименяемых в настоящее время средствр например механических, гидравлических м т,По, не может обеспечить деформаций, которые могут быть точно измерены существующими npH6opaiv H. .

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВА ТОРНЫХ ПОРОД, включающий бурение скважин, размещение в них датчиков и приложение нагрузки к исследуемому массиву горных пород, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения в повышения точности исследований, на границах исследуемого массива горных пород размещают восемь датчиков напряжений, образующих призму, на прямой между центрами оснований призмы размещают датчик деформаций, на этой же прямой на расстоянии от исследуемого массива, превышающем не менее, чем в 10 раз длину ребра з призмы, размещают заряд взрывчатого (Л вещества, а приложение нагрузки осуществляют путем взрыва заряда взрывчатого вещества.