Способ определения напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1986 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряженного состояния массива горных пород на стадии геологоразведочных изысканий.

Целью изобретения является повышение точности и информативности измерений.

Способ осуществляют следующим образом.

В массиве вдоль скважины измеряют скорости распространения продольных и поперечных волн. Затем отобранный керн нагружают в осевом направлении и параллельно измеряют скорости распространения вдоль его оси продольных и поперечных волн. При этом вначале осевую нагрузку доводят до значений, при которых скорость продольных волн в керне становится равной скорости этих волн в массиве. При соблюдении этого условия величину осевой нагрузки принимают за величину вертикальных напряжений в массиве. Затем осевую нагрузку доводят до значений, при которых скорость поперечных волн в керне становится равной скорости указанных волн в массиве. Учитывая, что скорость поперечных волн зависит в одинаковой степени от двух главных напряжений (в массиве - вертикальных и горизонтальных, в керне - осевых и поперечных), величину горизонтальных напряжений определяют путем алгебраического вычитания из указанной нагрузки ранее измеренной величины вертикальных напряжений.

Если породы анизотропны, керн дополнительно к осевым нагрузкам нагружают также поперечными нагрузками. Величину горизонтальных напряжений в массиве определяют непосредственно по величине поперечной нагрузки, при которой скорость поперечных волн в керне становится равной скорости поперечных волн в массиве.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании наряду со скорос0

5

0

5

0

тями продольной и поперечной волн, в основе которого лежит экспериментально установленное различие в связи скоростей двух типов волн с различными компонентами напряжений. Скорости продольных волн зависят в основном от нагрузок, действующих на породу вдоль направления распространения волн, и практически не чувствительны к поперечным нагрузкам. Скорости поперечных волн зависят в одинаковой степени от двух главных напряжений, направления действия которых соответствуют направлению распространения волн и колебаний частиц в ней (поляризации), т. е. являются функцией вида

Vs,,: У5„ +А(а, + а,) + В((1,),

где Vs.t, - скорость распространения поперечной волны вдоль оси X и поляризации у;

Vso - скорость распространения поперечной волны в ненагруженной породе;

Ох, Оу, Ог- главные напряжения, действующие вдоль соответствующих координатных осей X, у, z;

A(cr -f-ffj,)- функция произвольного вида, описывающая изменение скорости поперечной волны при приложении нагрузок вдоль направления ее распространения (ст) и поляризации (о,,); В(аг) -функция, описывающая изменение скорости этой волны под действием напряжений, действующих ортогонально плоскости поляризации (для горных пород экспериментально установлено, что при равных напряжениях ДУ В(аг) значительно меньше (а) или 4У А(о,,). В таблице приведены результаты испытаний.

Vs

V/

где Vp, V/ - скорости продольной волны при распространении параллельно и перпендикулярно оси сжимающей нагрузки;

-скорость поперечной волны при распространении параллельно оси сжимающей нагрузки;

-скорость поперечной волны при распространении перпендикулярно оси сжимающей нагрузки и положением плоскости поляризации вдоль оси сжимающей нагрузки.

Данные, представленные в таблице, полностью подтверждают особенности связи скоростей продольных и особенно поперечных волн с напряжением в горных породах.

Таким образом, измерив скорости продольной волны в массиве и в керне под давлением и сопоставив их значения, можно оценить величину вертикальных напряжений. Путем определения значений скоростей распространения поперечной волны в керне при различных нагрузках и сопоставления их со значениями скорости указанной волны в массиве становится возможным оценить совместное влияние вертикальных и горизонтальных напряжений. Учитывая, что при действии в массиве лишь гравитационных сил горизонтальные напряжения равны по величине, знание таких двух параметров, как скорости продольной и поперечной волн, достаточно для характеристики напряженного состояния массива.

Нагружение керна, необходимое для того, чтобы установить J какому напряженному состоянию пород соответствует данный набор значений скоростей упругих волн, может осуществляться осевыми или совместно осевыми и поперечными нагрузками. Наиболее простым и производительным является осевое нагружение керна. Его использование в предлагаемом способе определения напряжений наиболее корректно, если исследуемые горные породы отвечают требованию однородности и изотропности. Под однородностью свойств здесь понимается отсутствие различий свойств в разных частях образца. Из условия однородности следует идентичность зависимости скоростей упругих волн от нагрузки для разных направлений, в данном случае, осевом и поперечном направлениях (распостранение волны совпадает с осью нагрузки). Для таких пород, как показали результаты теоретических исследований, скорость поперечных волн зависит от напряжений, действующих в направлениях распространения и поляризации волн, совершенно одинаково. Таким образом, величина горизонтальных напряжений может быть получена по скорости поперечных волн путем вычитания вклада вертикальных напряжений из общего относительного изменения скоростей поперечных волн в керне от дав0

5

0

5

0

0

5

0

5

ления. С целью повышения точности способа при определении напряженного состояния горных пород, отличающихся явно выраженной анизотропией и неоднородностью свойств, целесообразно совместное использование осевого и поперечного нагружений керна.

Пример 1. На Кольском полуострове была пробурена вертикальная скважина. При этом был отобран керн, из которого сделана выборка через каждые 10 м. Затем с помощью аппаратуры AKK-I был проведен щи- рокополостный акустический каротаж стенок скважины. Применяя метод фазовой корреляции волновой картины, определили значения интервальных времен распространения продольной и поперечной волн вдоль скважины и рассчитали значения их скоростей. В залегающих на глубине 350 м мелано- кратовых метагаббро скорость продольной волны V была равна 6950 м/с, а скорость поперечной волны Vs - 3910 м/с.

Меланократовые метагаббро достаточно хорошо удовлетворяли условиям однородности и изотропии, поэтому их нагружение осуществлялось на прессе только в осевом направлении. В результате измерения скоростей продольных волн вдоль оси керна при его нагружений была получена зависимость скоростей указанных волн от напряжений в породе. Сопоставляя результаты измерений V и УД получили, что V Vp 6950 м/с при нагрузке 30 МПа. Ее приняли за величину вертикальных напряжений в массиве (ае -30 МПа).

Затем нагрузку увеличили по абсолютной величине и довели скорость поперечных волн в керне до значений Vs 3910 м/с, которые были измерены в массиве. Необходимая для этого нагрузка оказалась равной 41 МПа. С учетом того, что скорость поперечных волн изменялась под влиянием не только горизонтальных, но и вертикальных напряжений, из -41 МПа вычли ранее измеренную величину вертикальных компонент (оь 30 МПа) и получили, что горизонтальные напряжения на глубине 1000 м равны аг -41- а, -41 - (-30) -11 МПа.

Пример 2. В Хибинском массиве (Кольский полуостров) была пробурена скважина, пересекающая комплекс нефелиновых сиенитов. При этом был отобран керн, из которого сделана выборка через каждые 10 м. Затем с по.мощью аппаратуры АКК-1 был проведен широкополостный акустический каротаж стенок скважины. Применяя метод фазовой корреляции волн, определили значения интервальных времен распространения вдоль скважины продольных и поперечных волн и рассчитали значения их скоростей. На глубине 1150 м в трахитоидных ийолитах скорости были равны V 6260 м/с, V 3450 м/с.

Особенностью трахитоидных ийолитов явилось наличие естественной анизотропии

упругих свойств. Поэтому для нагружения керна использовали стабилометр, способный создавать осевые и поперечные нагрузки (КП-З конструкции ВНИМИ). В процессе нагружения измеряли скорость распространения в осевом направлении керна продольной и поперечной волн. Нагружение осевыми и поперечными нагрузками осуществляли до достижения скоростями продольной V и поперечной Vs волн в керне значений скоростей указанных волн в массиве (V м/с, Vs м/с). Необходимая для этого осевая нагрузка была равна -34 МПа. Она была принята за величину вертикальных напряжений в массиве ot, -34 МПа. Величину горизонтальных напряжений в массиве определили непосредственно по величине поперечных нагрузок, которые были равны -80 МПа (аг -80 МПа).