Способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21C39/00 

1

(21)4769152/03 (22) 13.12.89 (46)30.09.92. Бюл. N° 36

(71)Институт физики и механики горных пород АН КиргССР

(72)И.Т.Айтматов, А.В.Корн, К.Ч.Кожогулбв, П.Ф.Матвеев, П.В.Баков (Su), Уве Гросс, Езеф Финк и Иоахим Коварик (DD)

(56) Авторское свидетельство СССР № 1209863, кл, Е 21 С 39/00, 1984.

Турчанинов И,А. Основы механики горных пород. М.: Недра, 1987, с. 134-135.

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ОСЕЙ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

(57) Изобретение относится к горному делу. Цель - повышение точности. В измерительной скважине герметизируют интервал и нагнетают в него гидроагент до образования трещины гидроразрыва. Определяют давле- ниек Ps2 квазистационарного раскрытия

трещины. Затем герметизируют второй интервал с установленными в нем измерительными кольцами (ИК). Выполняют ИК из сочлененных элементов с пределами упругости бГупр PS2 И Оулр Ј PS2 В

интервал нагнетают гидроагент до давления Ps2 Затем сбрасывают давление, извлекают ИК и измеряют диаметры и толщины элементов. По их соотношению определяют направления главных нормальных напряжений. 4 ил.

со С

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам определения естественного напряженного состояния горных пород в массиве,

Известен способ определения направлений осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважин и последующее измерение деформаций ее стенок. При этом на измерительном участке образуют камеру сферической формы и измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва пород, по которым судят о соотношениях нормальных напряжений в массиве, а по плоскости гидроразрыва - о направлении оси минимального главного нормального напряжения.

Известный способ повзоляет надежно определять направление оси главного напряжения только в мелкозернистых массивных и однородных породах, в отсутствии

ослабляющих включений и микротрещино- ватости, так как в противном случае плоскость гидрорззрыва будет реализовываться по указанным неоднородностям. В то же время в реальности такие условия недостижимы, следовательно, достоверность и точность измерений остается невысокой.

Известен способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважины, герметизацию ее участка, нагнетание в него гидроагента до образования трещины гидроразрыва, снижение давления и повторное нагнетание гидроагента до давления квазистационарного раскрытия трещины, по которому определяют величины главных напряжений в массиве и направление их осей по ориентации трещины гидроразрыва.

XI О

сл ы ю сл

В таком способе предусматривается, что после образования трещины разрыва по результатам стереоскопирования места разрушения шов трещины будет указывать направление максимального главного нормального напряжения.

Однако известному способу присущ ряд недостатков, которые также были выявлены при проведении широкомасштабных опытно-экспериментальных работ на ряде месторождений СССР и ГДР, Во-первых, трещина гидроразрыва возникает в первую очередь в наименее прочной области пород, вскрытых скважиной, и характер шва повторяет конфигурацию этого включения, что искажает фактическое направление осей напряжений. Во-вторых, момент гидроразрыва происходит за пределом упругости пород и перед разрушением (разрывом) породы испытывали нелинейные деформации, а следовательно, теряется пропорциональность между деформациями и напряжениями и говорить о закономерном изменении формы скважины за пределом упругости не имеет смысла, а таким образом и место разрыва не будет в точности совпадать с направлением главных напряжений.

Целью изобретения является повышение его точности.

Для этого в способе определения направления осей главных напряжений в мас- сиве горных пород, включающем нагнетание в герметизированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрыва, последующее определение давления Psa квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормальных напряжений, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно устанавливают измерительные кольца из сочлененных элементов с пределом упругости . например алюминиевый сплав, и пределом упругости Оупр Psa . например пружинной марганцовистой стали, нагнетают во второй интервал гидроагент до давления Ps2 . сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления осей главных нормальных напряжений.

На фиг.1 и 2 показана схема осуществления предлагаемого способа: на фиг.З и 4 - сечение А-А на фиг.2.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В исследуемом массиве горных пород 1 бурят измерительные скважины 2 и на измерительном интервале 3 ее герметизируют 4. Для герметизации 4 может быть использована, например, система полиуретановых пакеров-4, раскрепление которых осуществляется жидкостью 5, посредством расширения пакеров гидросистемой, состоящей из гидроцилиндра (на фиг. не показано), установленного внутри пакера 4, гидропривода 6, пакерного манометра 7, двухходового пакерного крана 8 и гидронасоса 9. После подачи гидроагента 5 в гидропривод 6 насосом 9 кран 8 закрывают. Затем в образованный интервал 3 нагнетают гидроагент 5 насосом 9 при открытом кране 10. При этом давление в гидросистеме 5 всегда поддерживают большим на 5-10 МПа, чем в гидросистеме 11. Контроль давления осуществляют по манометру 12. Давление в интервале 3 повышают вплоть до образования трещины гидроразрыва 13. После образования грещин гидроразрыва давление в промежутке сбрасывают до нуля. При последующем цикличном увеличении давления в гидросистеме 11 определяют величину давления PSI , равновесного состояния гидроагента в трещине и горного давления на ее берега. В силу инерционности роста трещины величина квазистационарного состояния может быть получена только при втором цикле нагрузки-нагрузки внутри измерительного интервала 3. Для этого то повторно и повышают давление в указанном интервале 3 до момента повторного раскрытия трещины Рс2 и по истечении некоторого времени (5-10 мин) определяют величину квазистационарного раскрытия трещины Ps2 Давление Р$2 соответствует величине минимального главного напряжения. Следовательно, при этом давлении будет иметь место равновесие в пределах упругих деформаций между природным полем напряжений и давлением в гидросистеме. Другими словами, в этом случае на гидроагент воздействует природный тензор напряжений. После этого в скважине 2 в непосредственной близости от интервала 3 в аналогичных породах герметизируют посредством гидросистемы второй измерительный интервал 14, в котором предварительно устанавливают измерительные кольца 15, состоящие из сочлененных элементов двух типов: с пределом

УПРУГОСТИ Оупр SPS2 - 16И

оуЪр и Р$2 17. Элементы 16 изготавливают из алюминиевого сплава, а элементы 17 - из пружинной марганцовистой стали,

Гидроагент б через гидросистему под давлением подают в интервал 14 и повышают давление в нем до величины Ps2 При этом происходит деформация пластичных элементов кольца в соответствии с формой скважины, которую она приняла при снятии минимальной компоненты нормальных напряжений давлением PS. По прошествии некоторого времени г 100-600 рел (Трел - время релаксации напряжений) давление в интервале 14 сбрасывают, кольцо за счет упругих элементов уменьшается в размерах и его извлекают из скважины, а по соотношению размеров диаметров или (и) толщин кольца (5i и дг пластичных элементов 16 деформированного кольца 15 в направлениях его максимального удлинения гТ и максимального укорочения J его диаметров судят о направлении осей главных напряжений. Следует учесть, что кольцо будет удлиняться в направлении оЫп , соответственно элементы 16 будут утоняться в направлении (Ттах , Упругие элементы 17 кольца позволяют надежно фиксировать его при установке, а при снятии давления извлечь его из скважины без изменения формы. Установка нескольких колец 15, повернутых друг относительно друга вокруг своей оси, также способствует выполнению Поставленной цели по двум причинам: повышается объем выборки для определения напряжений; обеспечивает получение максимальных деформаций пластичных элементов кольца на тех из них, где достигнуто совпадение положения середины податливого элемента и оси 7mm ,

В совокупности указанная последовательность операций за счет того, что после бурения скважины на исследуемом участке ее на локальном участке герметизируют, подают под давлением в образованный интервал гидроагент, повышают давление в указанном интервале до образования трещины гидроразрыва, сбрасывают давление и при повторном цикле нагнетания гидроагента определяют давление Psa квазистационарного раскрытия трещины, после чего в данной скважине в непосредственной близости от этого участка в аналогичных породах герметизируют второй локальный участок, в котором предварительно устанавливают измерительные кольца диаметром, равным диаметру скважины, состоящие из сочлененных элементов с пределом упругости Оупр :Ј PS2 и с пределом упругости

Оупр Psa . нагнетают во вновь образованный герметичный интервал гидроагента и повышают его давление до величины

Рзг , после чего указанный интервал скважины разгерметизируют и извлекают из скважины измерительные кольца, а по соотношению диаметров и толщины деформиро- ванного кольца в направлении его максимального удлинения и максимального укорочения судят о направлении осей главных нормальных напряжений, что обеспечивает повышение точности определения

0 направлений осей главных напряжений в условиях естественного залегания пород. Пример выполнения способа. Участок горных пород с гранитами, для которых ас 180МРа; Ораст 15 МРа.

5 На данном участке бурится вертикальная скважина диаметром 0,76 м. Скважина сте- реоскопируется прибором РВП-451. Поданным стереоскопирования устанавливаются интервалы горных пород, относящиеся к од0 ному структурному блоку. После чего на одном из выбранных интервалов устанавливают стандартный комплект для гидроразрыва пород. В результате последовательных циклов нагрузки и разгрузки

5 скважины гидравлическим маслом и посредством указанного комплекта определяют: 15 МПа; PSI 12 МПа; Рс2 14 МПа; Р$2 Ю МПа. После чего зонд из скважины извлекают и внутри межпакерно® го пространства устанавливают семь колец, повернутых друг относительно друга на угол 60° и состоящих из алюминия марки АМц

Оупр 6,7 МРа и плоских пружин из стали 5 марки 55ГС1 Оупр 20 МРа; ГТОАЛ

м до 0, м. Во избежание смыкания колец между ними устанавливают упоры. После этого зонд устанавливают вновь в эту же скважину и досылают его так,

0 чтобы измерительный интервал (межпакер- ное пространство) при этой установке оказалось внутри того же самого структурного блока, в котором ранее был произведен гидроразрыв. Маслонасосом вначале поднимают давление на гидроцилиндры пакеров до величины не менее чем Psa + 5 МПа 15 МПа, после чего запирают эту гидроветвь и открывают гидроветвь для подачи жидкости в измерительный интервал и повышают давление здесь до величины Р$2 Ю МПа. По прошествии 100-300 с давление в измерительном интервале уменьшают до нуля, далее от этой же величины снижают давление

c на пакеры и по окончании стока масла из гидросистемы извлекают из скважины зон гидроразрыва и измерительные кольца. Выбирают кольцо с наибольшими деформациями как формы, так и толщины и определяют направления гТ и §.

5

0

dfn 310 6 м направление IT-amin (5 0,5, м dfn 1,

(35 0, направление д Азимут простирания л Азп 3/2 л ±л. Азимут простирания д Аз0 2 Я ±л. Следовательно, простирание оси максимальных нормальных сжимающих напряжений субмеридиально.

Предлагаемый способ позволяет точно и достоверно определять направление осей главных напряжений, вследствие этого возможно обоснование определять направление проходки выработок, обеспечивая устойчивое их состояние, а соответственно применять облегченные виды крепи с сохранением безопасных условий труда.

Формула изобретения

Способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных поJ&J

/

.. &L&4

Фиг.

0

5

0

род, включающий нагнетание в герметизированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрывэ, последующее определение давления Рг4квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормальных напряжений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно устанавливают измерительные кольца из сочлененных элементов с пределами

УПРУГОСТИ Оупр Р$2 И Оупр PS2 ,

нагнетают во второй интервал времени гидроагент до давления f, сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления главных нормальных напряжений.

42/4/

11

М

ьД Ро(А)2(В)

#v I is / ,11

Фиг. 2

12

Фиг.З

$макс

ь.Р

S2

Фиг. 4