Способ определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК E21C39/00 

ления РЖ, находящейся в К 5. Затем, выпуская избыточное давление РЖ из К 5 через клапан 11 при замкнутом 1итуцере 7 К 6, понижают давление РЖ по нижнему торцу ЦМ 2 по площади моделируемой

выработки до ВеЛИЧИНЬ Рпон Pd- Раст/ п,

где Рд - действующая вертикальная нагрузка; МПа; YpacT, 7 - объемный вес растворителя и пород, т/м. Под нагрузкой ЦМ 2 выдерживают в течение 30 ч и повышают давление до величины PiK)B Рй-унас.раст./у,,. МПа; где .раст. - объемный вес насыщенного

раствора, т/м. Одновременно с помощью режущего инструмента 8 и втулки 12 формируют моделируемую выработку в ЦМ 2. По мере проходки на забой и стенки выработки создается давление РЖ, проходящей из К 6 через паз 10 и отверстие 9 в инструменте 8. В процессе выдержки ЦМ 2 с выработкой под нагрузкой измеряют деформации модели, по которым определяют деформационные свойства целиков. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и позволяет с высокой точностью определять деформационные свойства междукамерных целиков, образующихся при применении геотехнологических методов добычи. Изготовленную из натурного ма.териала цилиндрическую модель (U,M) 2 устанавливают в давильную камеру (К) 1. Затем полости К 1, дополнительной К 6 и связанной с ней посредством паза 10 и сквозного отверстия 9 компенсационной К 5 заполняют рабочей жидкостью (РЖ). Производят нагружение ЦМ 2 до напряженного состояния нетронутого массива на исследуемой глубине. По верхнему торцу ЦМ 2 создают нагрузку при помощи поршня 3, а по нижнему торцу - с помощью втулки 15 и дав

1

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при изучении устойчивости горных выработок и деформационных свойств междукамерных целиков, образующихся при применении геотехнологических методов добычи.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг. 1 схематически показано устройство для определения деформационных свойств междукамерных целиков, методом моделирования; на фиг. 2 - кривая деформирования модели; на фиг. 3 - кривая ползучести модели.

Устройство содержит корпус {не показан), размещенные в нем давильную камеру 1 для модели 2 с поршнем 3 и штуцером 4, компенсационную камеру 5, дополнительную камеру 6 с штуцером 7, режущий инструмент 8 с осевым отверстием 9 и пазом 10, размещенный в камерах 5 и 6, выпускной клапан 11, установленный в камере 5, и привод режущего инструмента 8, включающий установленную с возможностью осевого перемещения втулку 12 с рукояткой 13 и средством (не показано) вращения хвостовика 14. В основании давильной камеры 1 выполнено отверстие, в котором установлена втулка 15.

Работа устройства при реализации способа определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования осуществляется следуюил,им образом.

Модель 2 изготавливают из керна вскрывающих скважин, взятого с глубины разрабатываемого пласта. Размеры моделей выбирают с сохранением таких же безразмерных соотношений, что и в натуре., где отношение диаметра камеры к стороне сетки бурения скважин d/l 0,3-0,7. Для исключения влияния масштабного фактора на результаты исследований отношение высоты модели 2 к ее диаметру прини.мают равным 2. Изготовленную модель цилиндрической формы устанавливают в давильную камеру 1. Заполняют рабочей жидкостью.

например компрессорным маслом, полость давильной камеры 1. путем подачи жидкости через 1итуцер 4 и полость камеры 6 - через штуцер 7. Связь между камерами 5

и 6 осуществляется посредством паза 10 и сквозного отверстия 9. Затем производят нагружение модели 2 до напряженного состояния нетронутого массива на исследуемой глубине. При этом равномерно распределенную осевую нагрузку по верхнему торцу модели 2 создают при помощи поршня 3, а нагрузку по нижней торцовой поверх,ности задают с помощью втулки 15 и давления рабочей жидкости. Давление втулки 15 осушествляют по области, ограниченной

с одной стороны боковой поверхностью модели 2, а с другой - предполагаемой проекцией контура моделируемой выработки, по которой давление создают рабочей жидкостью, находящейся в ко.мпеисационной камере 5, под давлением, равным давлению, создаваемому поршнем 3. Боковое давление на поверхность моде,1и 2 создают давлением масла, изолируя предварительно боковую поверхность модели 2 эластичной «рубашкой. Величину бокового давления

поддерживают таким, чтобы поперечные деформации модели Е2 0. Фиксацию поперечных деформаций осуществляют при помощи тензодатчиков, наклеенных на боковую поверхность модели 2. Появившиеся поперечные деформации модели 2 во время проведения эксперимента компенсируют повышением давления масла. В модели создается трехосное напряженное состояние, при котором а Y/iM. а (79 аз JtV/iH. где Yn - средний объемный вес пород покрывающей толщи; Н - глубина залегания; . - коэффициент бокового распора.

Модели 2 выдерживают под нагрузкой в течение 3-6 ч для восстановления «памяти горных пород на действовавшие ранее в массиве напряжения. По мере нагружения снимают замеры вертикальных деформаций модели. На основании полученных результатов строят кривую деформирования изучаемого материала. На кривой деформирования (фиг. 2) имеется точка перегиба, которой соответствует величина деформации, имевшая место в нетронутом массиве горных пород. По этой точке определяют относительную деформацию е материала. Затем понижают давление рабочей жидкости по нижнему торцу модели 2 по площади моделируемой выработки, создавая тем самым в модели 2 подобие проходки вскры вающей скважины и образования подготовительной выработки в натурных условиях. Снижение давления осуществляют путем выпуска избыточного давления рабочей жидкости из компенсационной камеры 5 через выпускной клапан II, при этом входной штуцер 7 камеры 6 закрыт. Учитывая, что Б натурных условиях после вскрытия пласта скважиной для получения кондиционного рассола необходимо размыть подготовительную выработку достаточно большой площади обнажения в сжатые сроки, подачу в скважину растворителя осуществляют с максимальной производительностью с целью увеличения скорости растворения полезного ископаемого, например соли. На этом этапе подготовительного размыва часть пласта соли, находящегося под нагрузкой Рл 7„Н, переходит из твердого состояния в жидкое, образуя при этом подготовительную выработку, заполненную раствором с плотностью и концентрацией близкой к плотности подаваемого в скважину растворителя (в данном случае воды). Давление в подготовительной выработке, заполненной неконцентрированным раствором, определяется весом столба раствора до поверхности. Исходя из этого величину понижения давления (МПа) рабочей жидкости в модели 2 по площади моделируемой выработки определяют по формуле - р. У где Рд - действующая вертикальная нагрузка, МПа; YpacT -объемный вес растворителя, т/м; 7,1 - средний объемный вес пород покрывающей толщи, т/м После создания пониженного давления рабочей жидкости модель 2 выдерживают под нагрузкой в течение 30 ч. Это время необходимо для проявления исследуемым материалом порядка 90-95% упругопластических деформаций, вызванных уменьшением давления рабочей жидкости. Образование подготовительной выработки в натурных условиях является моментом перехода с подготовительного размыва на эксплуатационный режим размыва камеры с образованием внутри формируемой камеры насыщенного раствора с максимальными концентрацией и плотностью. Поэтому в модели 2 повышают давление рабочей жидкости по нижнему торцу модели по площади моделируемой выработки. Для этого закрывают выпускной клапан 11 и через входной щтуцер 7 удают рабочую жидкость под давлением (МПа) величина которого определяется по формуле Рпо. Рдгде нас.раст - объемный вес насыщенного раствора, т/м. Одновременно с повышением давления осуществляют проходку моделируемой выработки: приводят во вращательное движение (с помощью электродвигателя) режущий инструмент 8 режущим органом (не показан) вертикальную подачу производят вручную, при помощи втулки 12 с рукоятками 13. Давление рабочей жидкости на забой и стенки моделируемой выработки создается при проходе рабочей жидкости из камеры 6 через паз 10, сквозное отверстие 9 в режущем инструменте 8 с полым режущим органом. Компенсационная камера 5 служит для накопления выносимого из моделируемой выработки штыба. Она выполнена таким образом, чтобы штыб не мог попать в камеру 6 и повлечь ее разгерметизацию. Проходку выработки осуществляют или сразу на всю высоту, или ступенями с выдержкой во времени в течение нескольких суток на каждой ступени При проходке выработки ступенями (моделирование .мощной соляной залежи) снижают вертикальную осевую нагрузку, создаваемую порщнем 3 на величину, равную разнице между действующей нагрузкой, существовавщей до отработки пласта, и нагрузкой, установивщейся при отработанной высоте ступени. После проходки моделируемой выработки режущий инструмент 8 опускают в исходное положение и прекращают вращение. По мере проходки моделируемой выработки, а также при дальнейших испытаниях модели 2 ведут измерения вертикальной деформации целика. Длительные испытания моделей на ползучесть проводят на протяжении 30 сут. По результатам длительных испытаний строят кривые (фиг. 3) получести системы, включающей выработку с наличием в ней давления рабочей жидкости и окружающий ее целик. На основании обработки кривых ползучести получают параметры ползучести а и б в зависимости от величин действующих напряжений и давления рабочей жидкости в камере 1. Расчет вертикальной деформации (М) междукамерного целика в натурных условиях производят исходя из полученных экспериментальных данных по следующей формуле дЬ h f(t), e(t)e где t - период времени, на который рассчитывают деформацию целика, сут. Пример. Определяют деформацию между камерного целика с применением метода подземного растворения солей через скважины, пробуренные с поверхности для условий камерной системы отработки. Исходные условия: сетка бурения скважин 200X200 м; диаметр камер d 100 м; проектируемая высота камер (высота целика) h 50 м; средний вес пород покрывающей толщи 7„ 2,4 т/м, объемный вес растворителя 1,0т/м; глубина разработки Н 500 м. Требуется рассчитать деформацию междукамерного целика Ah на срок t 10 и t 20 лет со дня начала отработки камеры. Для данных условий определяют отношение диаметра камеры к стороне сетки бурения скважины d/l 100/200 0,5; вертикальные напряжения, действующие в пласте 6i 7л Н 12 МПа; величину давления растворителя на стадии подготовительного размыва qi 50 ати; величину давления насыщенного раствора на стадии эксплуатационного размыва камеры ,l 1,2500 60 ати. Затем из керна вскрывающих скважин, взятого с глубины залегания пласта Н 500 м, изготавливают модели 2 диаметром 30 и высотой 60 мм. Для соблюдения безразмерных соотношений d/1 в модели и в натуре проектируемый диаметр выработки в модели принимают равным 15 мм. В устройстве для моделирования устанавливают полый режущий орган диаметром 15 мм в полый режущий инструмент 8, а также втулку 15. После этого изготоавленную модель 2 помещают в давильную камеру I устройства для моделирования. Создают объемное напряженное состояние на модель 2, при этом вертикальная нагрузка, создаваемая порщнем 3, и давление рабочей жидкости по проекции контура моделируемой выработки равным 12МПа («;ai). Давление на боковую поверхность модели 2 для компенсирования возникающих в процессе испытаний поперечных деформаций задают равным 02 сгз 6 МПа. По результатам измерения вертикальных деформаций модели 2 по мере ее нагружения строят кривую деформирования соли. На этой кривой (фиг. 2) имеется точка перегиба, которой соответствует величина деформации е 9,5 . Для восстановления «памяти пород на действовавшие ранее в массиве напряжения модель 2 выдерживают под нагрузкой в течение 3- 6 ч. Затем понижают давление рабочей жидкости по площади моделируемой выработки до величины Prioii, 50 ати, определяемой ПО формуле (.1), и выдерживают модель в таком состоянии еще 30 ч. После этого повь щают давление рабочей жидкости по нижнему торцу модели по площади моделируемой выработки до величины Рпов. 60 ати, определяемой по формуле (2), и начинают проходку выработки. Ввиду того, что высота моделируемой камеры небольшая, проходку выработки в модели 2 осуществляют на всю высоту 60 мм с одновременным поддержанием в выработке давления рабочей жидкости. После проходки выработки модель остается под нагрузкой порядка 30 сут. В течение этого времени ведут измерение вертикальных деформаций модели 2. По результатам длительных испытаний строят кривую (фиг. 3) ползучести модели. Отработку кривой ползучести ведут с использованием линейной теории наследственности с ядром ползучести Абеля. В результате обработки кривой определены параметры ползучести а и б, значения а 0,712, которых равны соответствен 7 0,032. Подсчитывают значение (t) Х .) для t 10 и t 20 лет. Х(1 + Ю-- (1 + Тогда e(t 10) 9,5 0,032(10-365) .11 20,7 lO e() 0,288 1 . 0,032(20 365) „ I .4 9,5 10 0,388-io,/iu Aht-5o 10 50-20,7-lo 0,1/4, 20 50-23,2-10- с,Агм. Таким образом,, вертикальная д&формация междукамерного целика составит через 10 лет - 10 см, а через 20 лет - 12 см. Формула изобретения . Способ определения дефор.мационных свойств междукамерных целиков методом моделирования, включающий изготовление цилиндрической модели из натурного материала, образование отверстия, имитирующего выработку, объемное нагружение модели, выдержку модели с выработкой под нагрузкой и определение деформационных свойств целиков по результатам испытания модели, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, нагружение модели проводят перед образованием выработки до объемного напряженного состояния, соответствующего напряженному состоянию массива на моделируемой глубине, затем снижают давление на части торцовой

поверхности модели по площади моделируемой выработки до величины

Р„о„. ., Y«

где Рд - действующая вертикальная нагрузка, МПа;

ураст.- объемный вес растворителя, т/м 7„ - объемный вес пород т/м, проводят выдержку во времени и повышают давление по площади моделируемой выработки до величины

р„о, Р. ,МПа,

где нас.раст.- объемный вес насыщенного раствора, т/м.

после чего осуществляют в нагруженной модели проходку выработки с одновремен,мпа

ным поддержанием в ней повыщенного давления и измеряют в процессе выдержки вертика.тьные деформации модели.

2. Устройство для определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования, содержащее корпус, размещенные в нем давильную камеру для модели с нагружающим порщнем и компенсационную камеру, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной камерой, размещенной под компенсационной камерой, и полым режущим инструментом с приводом, при этом компенсационная камера сообщена с дополнительной камерой через полость режущего инструмента, а в основании давильной камеры выполнено ограниченное втулкой отверстие для режущего инструмента.