Способ определения напряженного состояния горного массива Советский патент 1991 года по МПК E21C39/00 

сл С

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля напряженного состояния горного массива. Цель изобретения - повышение точности определения напряженного состояния участка массива горных пород. Для оценки напряженного состояния горного массива бурят скважину в исследуемом массиве и измеряют его электрические характеристики. Затем определяют коэффициенты поляризуемости образцов горных пород в ненагруженном и нагруженном состояниях и коэффициент поляризуемости исследуемого участка массива. По относительному изменению коэффициента поляризуемости массива по сравнению с ненагруженным образцом по тарировочной кривой определяют степень напряженного состояния горного массива. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля напряженного состояния горного массива.

Целью изобретения является повышение точности определения напряженного состояния участка массива горных пород.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - зави- симость относительного изменения коэффициентов поляризуемости от степени напряженного состояния образцов и массива горных пород.

Способ определения напряженного состояния горного массива осу ществ л я ют следующим образом.

В контролируемом участке массива 1 (фиг.1) посредством электродов 2 и 3, подключенных к источнику 4 постоянного электрического тока, наводят постоянное электрическое поле.

Под воздействием электрического поля в горной породе происходит ее электрохимическая поляризация за счет окислительно-восстановительных процессов между минералами с электронной проводимостью и соприкасающимися с ними растворами солей (пластовыми водами), что приводит к деформации двойного электрического слоя на границе элементарная частица - поровая влага, величина которой характеризуется коэффициентом поляризуемости. При воздействии на горную породу механических нагрузок происходит ее деформация, т е. изменение расстояния между элементарными частицами горной породы, что вызывает дополнительное деформирование двойного электрического слоя и, следовательно, увеличение значения коэффициента псляриО

VI XI СО О

4

зуемости. Величину коэффициента поляризуемости горной породы в ее естественном нагруженном состоянии фиксируют с помощью измерительного прибора 5 и сравнивают с коэффициентом поляризуемости, измеренным на ненагруженном образце данной горной породы при тех же параметрах электрического поля, что и при измерениях в массиве. Зависимость значения коэффициента поляризуемости горной породы от величины механической нагрузки установлена в процессе экспериментальных исследований. Коэффициент поляризуемости горных пород определяют различными методами, например методом измерения электрического сопротивления посредством измерительного прибора 5. Электрическое сопротивление RI исследуемой горной породы измеряют на заданной глубине в момент наведения электрического поля и Rr- через заданный промежуток времени т. Аналогично определяют электрическое сопротивление RJH ненагруженной породы, представляющей собой образец, взятый непосредственно из участка исследуемого массива. При этом обеспечивается одинаковость напряженности постоянного электрического поля при измерении в массиве и на образцах. По измеренным значениям электрических сопротивлений определяют коэффициенты поляризуемости нагруженного массива г и ненагруженной породы по формулам

,-Rf-fr.

R-T

Г)о

Rr Rl

.Ј.

R

Степень нагруженное™ горного массива сг оценивается отношением г/е К /,. некоторой функцией (7 f (ffc /T/o) которая количественно определяется экспериментально для каждой конкретной горной породы в лабораторных условиях. Для этого образец горной породы, взятый из участка исследуемого массива, помещают в испытательную машину (пресс), предварительно приклеив на торцовых поверхностях образца измерительные электроды. Образец с приклеенными электродами изолируют от корпуса испытательной машины с помощью изолирующих прокладок. Установив образец, включают источник постоянного электрического тока с учетом идентичности электрического поля при измерениях в массиве и на образцах. Замеряют величину элек- тросопротивления образца в момент

/

наведения электрического поля RI и R у через определенный промежуток времени г (например, т 5. 10, 15, 30, 60, 120с и г.д ) до заметной стабилизации значений

R . Ступенчато нагружают образец с шагом в 10 Па. На каждой ступени нагружения производят полный цикл измерений, как и на ненагруженном образце. Нагружение образцов производят вплоть до их разрушения. Для каждого цикла измерений рассчитывают коэффициент поляризуемости породы, а затем и относительное его изменение по сравнению с ненагруженным образцом. Строят тарировочный график изменения коэффициентов поляризуемости данной горной породы от степени напряженного состояния горной породы (7в зависимости от времени т (фиг.2). Используя этот график, можно, зная тип горной породы, а значит, и величину TJO и определяя исспедуемом горном массиве, получать значение степени нагруженно- сти данного участка горного массива, Данным тарировочным графиком можно

пользоваться многократно для изучения процесса изменения напряженного состояния горного массива во времени и в процессе ведения горных работ, что значительно ускоряет последующие определения напряжений при сохранении достаточной точности измерений,

П р и м е р. На руднике № 1 способ использован для измерения степени напряженного состояния горного массива вблизи

очистного забоя. Для проверки достоверности полученных в массиве данных эти же параметры были определены стандартным методом разгрузки с использованием аппаратуры УК - Тензор.

Работу проводили в следующем порядке: бурили куст из трех горизонтальных параллельных скважин диаметром 42 м так, чтобы линии, соединяющие оси скважин, составляли прямоугольный равнобедренный

треугольник. При этом одна из скважин являлась центральной (скв, 1), а две другие располагали соответственно на расстоянии 0,8 м выше от центральной (скв 2) и в сторону от нее (скв. 3). Такая система скважин

0 позволяет измерять горизонтальные и вертикальные составляющие напряжений, действующих в массиве.

Из кернов, полученных при бурении 5 скважин, изготавливали цилиндрические образцы длиной 10-15 см для лабораторного определения зависимости коэффициента поляризуемости от действия механических напряжений. Образцы помещали между измерительными электродами, представляющими собой медные пластины, которые устанавливали на торцах образцов, при этом направление тока совпадало с направлением действующих при испытании напряжений. Затем образец с электродами устанавливали в испытательную (пресс марки МС-1000) машину, изолируя его от корпуса с помощью последовательно уложенных прокладок из резины и текстолита. После этого его ступенчато нагружали вплоть до разрушения, и на каждой ступени определяли R0 и , по которым рассчитывали 7/, при различном времени пропускания тока через образец.

Результаты измерений, а также данные расчетов для составления тарировочного графика представлены в табл. 1.

По полученным расчетным данным строили тарировочный график относительного изменения коэффициента поляризуемости породы в зависимости от степени нагруженности образца (фиг.2). Для того, чтобы данным тарировочным графиком было удобнее пользоваться при натурных измерениях степени напряженного состояния горных пород в массиве, при построении графика на оси ординат откладывали величины действующих напряжений, а на оси абсцисс - зависимую величину относительного изменения коэффициента поляризуемости. Полученный график позволяет, определяя коэффициент поляризуемости участка горного массива, судить о степени его напряженного состояния.

В массиве значения коэффициентов поляризуемости определяли на различных глубинах с помощью скважинных щеточных электродов. Измерения проводили на поверхности выработки (глубина 0,2 м), а также на глубинах 1,2 и 2,2 м от контура выработки. Щеточные электроды устанавливали в параллельных скважинах на требуемой глубине, при этом обеспечивалось точное противостояние электродов, т.е. вектор направления тока при измерениях был перпендикулярен оси скважин. Определяли в каждой точке электрическое сопротивление между скважинами в момент наведения электрического поля R и сопротивление R, через промежутки времени т.

Результаты измерений представлены в табл.2.

По данным измерений рассчитывали значения коэффициентов поляризуемости в каждой исследуемой точке массива по формуле Rr-Rj

м - -, /

R.r

где электрическое сопротивление участка массива в момент наведения постоянного электрического поля;

Ri - электрическое сопротивление че- рез время г, когда сопротивление еще продолжает изменяться.

В данном случае получилось, что электросопротивление после наведения постоянного электрического поля увеличивалось пропорционально времени в течение 30 - 60 с, а затем изменения сопротивления стали незначительными. Поэтому для расчета т/я-выбраны значения Rt через 30 с после наведения электрического поля.

Расчетные значения tj,7 следующие: Скважины 1-2:

1 0,2м; %; | 1,2м; ц, 26 %; 2,2м; ft 32%.

Скважины 1 - 3:

| 0,2 м; /.. 37 %;

1 1,2м; 1 2,2м;

Учитывая, что величина /о для ненаг- руженного образца при г 30 с равна 19%, получили следующие величины отношения ) .

Скважины 1 - 2:

0,2м; 7/7/7/0 1,11;

1,2м; /./т/с, 1,36;

2,2м; ,68. Скважины 1 - 3

0,2 м; T/iVT/o 1,04;

2,2м; 7Ј/7/о 1,58. По полученным данным

/г, с учетом, что г 30 с, на тарировочном графике находили значения компонентов действующих в исследуемых участках горного массива напряжений: горизонтальную составляющую ох и вертикальную составляющую оу.

Получены следующие значения характеристик напряженного состояния:

На контуре выработки ах 3,0 МПа; оу 6,6 МПа;

На глубине 1,2мох 3,8 МПа; сту 4,6 МПа;

На глубине 2,2м ах 6,4 МПа; оу 6,0 МПа.

Для проверки достоверности полученных в массиве данных эти же параметры были определены (в этих же скважинах) стандартным методом разгрузки с использованием аппаратуры УК - Тензор.

При сравнении результатов проведен- 1ых экспериментов разница в определении соответствующих параметров массива данным и стандартным методами не превысила 10-15%, что вполне допустимо для натурных исследований.

Формула изобретения

Способ определения напряженного состояния горного массива, включающий буИсследуемый участок

Скважины 1-2

0

рение скважины в исследуемом массиве и измерение его электрических характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения напряженного состояния, определяют коэффициенты поляризуемости образцов горных пород в ненагруженном и нагруженном состояниях, затем определяют коэффициент поляризуемости исследуемого участка массива и по относительному изменению коэффициента поляризуемости массива по сравнению с ненагруженным образцом по тарировочной кривой определяют степень напряженного состояния горного массива.

Т а б л и ц а 1

Скв ажины 1 -3

фиг. i

/,