Способ определения напряженного состояния массива горных пород Советский патент 1987 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена схема установки нагружения образцов; на фиг. 2 - кривые зависимости изменения скорости ультразвука в образцах от нагрузки; на фиг. 3 - кривые зависимости изменения градиента скорости ультразвука в образцах от нагрузки. Цифрами и буквами на чертежах обозначены: образец 1 горной породы, ультразвуковой преобразователь 3, обечайки 2, пружины 4, гидравлический пресс 5, манометр 6, регистратор 7 скорости ультразвука, арифметический блок 8, кривая 9 изменения скорости ультразЕ ука образца, обладающего памятью, кривая 10 изменения скорости ультразвука образца, потерявшего память на действовавшие напряжения, кривая 1 1 изменения градиента скорости ультразвука образца, сохранившего память на действовавшие напряжения, кривая 12 изменения градиента скорости ультразвука образца, потерявшего память на действующие напряжения;v и- скорость и г|)адиент скорости ультразвука в образце соответственно; R - нагрузка на образец, МЦа; RI - нагрузка на образец в точке перегиба зависимости v(R) или в точке максимума зависимости.

Способ осуществляют в следующей последовательности.

В исследуемом массиве определяют направление главных напряжений и зону нетронутого массива (не показано). Затем из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают из него образцы 1 горной породы. Необходимость определения зоны нетронутого массива и отбора из него керна обусловлена тем, что такой образец не претерпел вторичных изменений напряженно-деформированного состояния, вызванных проведением горной зы- работки. Образец 1 горной породы располагают между двумя парами обечаек 2, внутри которых размещают ультразвуковые преобразователи 3. Преобразователи 3 прижимают к обечайке 2 пружинами 4. Контакты между ультразвуковыми преобразователями 3, поверхностью обечаек и поверхностью образца 1 смазывают, например механическим вазелином или парафином. Обечайки 2 вместе с образцом 1 устанавливают между плитами гидравлического пресса 5. Манометром 6 измеряют давление масла в гидросистеме пресса, пропорциональное напряжению R, одновременно измеряют время т прохождения ультразвуковых волн через образец 1. Время т определяют стандартными бетоноскопами, например УК- 10 ПМ или УК-14 Ц. Образец 1 горной породы циклично или с постоянной скоростью нагружают до тех пор, пока не насту

пит его разрушение. Цо данным измерений определяют скорость 9 и градиент скорости 11 продольных ультразвуковых волн в образце 1 для каждой величины нагрузки, а по моменту достижения им максимума судят о напряженном состоянии исследуемого массива горных пород. Так как образец в массиве находится в условиях объемного сжатия, то нагрузка, при которой градиент достигает максимума, соответствует разности максимальных и минимальных главных напряжений. С учетом того, что между максимальными и минимальными главными напряжениями в нетронутом массиве имеет место соотношение

(,

V

Iу

определяют значения максимальных главных напряжений в зависимости от величины нагрузки RI в точке перегиба:

6,

2v

Ri,

0

где Ri - величина давления на образец, со ответст 5ующая характерной точке 5 перегиба на графике зависимости

скорости упругих волн от давления; RI 10-11 МПа; V - коэффициент Цуассона. В качестве арифметического блока 8 используют ЭВМ, например СМ-2М. Устрой- 0 ство связи с объектом (УСО) ЭВМ соединяют с цифровым выходом прибора

УК-ЮЦМ.

Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, по- 5 лученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрации напряжений, величина которого может быть рассчитана по зависимостям скорости ультразвуковых волн U (t) или интенсивности акустической эмиссии при бурении скважины (1) от глубины скважины, пробуренной при определении зоны нетронутого массива.

Физические предпосылки изобретения заключаются в следующем: установлено, что скорость упругих волн в образце V/ рас5 тет с увеличением нагрузки, а градиент скорости снижается и приближается к нулю. Однако эксперименты проводились на образцах, давно извлеченных из массива и уже не обладающих механической памятью на

0 действовавшие напряжения. Известны также результаты опытов по определению скорости продольных волн в образцах сразу после извлечения из массива и через год после извлечения. Замечено, что скорость продольных волн в разгруженном образце с

5 течением времени существенно уменьшается (на 20-30%). При этом необходимо учитывать, что горные породы имеют множество дефектов, в том числе дефектов второго порядка (микротрещин), которые имеют некоторую величину раскрытия. Величина раскрытия трещин уменьшается с увеличением нагрузки, перпендикулярной плоскости трещин. Давление, которому подвергаются горные породы в массиве, приводит к некоторому уменьшению величины раскрытия трещин, которая сохраняется в течение некоторого времени после извлечения из массива, а затем увеличивается до размеров, соответствующих полной разгрузке. Величина раскрытия микротрещин является определяющим фактором скорости упругих волн в образце.

Формула изобретения

Способ определения напряженного состояния массива горных пород, основанный

на испытании образцов горных пород, сохранивших механическую память на действующие в горном массиве напряжения, включающий отбор образцов из горного массива, их механическое нагружение с постоянной скоростью и определение нагрузки, соответствующей скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца, по которой судят о напряженном состоянии массива горных пород, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, образец выбуривают из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения, а в качестве акустической характеристики измеряют гра- 5 диент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения.

0

Изобретение относится к области горного дела. Цель изобретения - повышение точности измерений. Из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают ез него образец горной породы. Производят механическое нагружение на него с постоянной скоростью. Определяют нагрузки, соответствующие скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца. В качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения. По градиенту судят о напряженном состоянии массива горных пород. Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, полученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрации напряжений. 3 ил. i СО со c САЭ

cpue.i

6000 -

sooo

4 да/7 УК, мпа

2025