Способ определения упругих свойств массива горных пород Советский патент 1981 года по МПК E21C39/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАССИВА Изобретение относится-к горной промьшшенности, в частности к измерительной технике, а именно к измерению величин деформаций массива пород происшедших вследствие нагружения его распорным давлением через скважину, пробуренную в массиве. Известен способ определения упругих свойств горных пород, реализуемый с помощью устройства для опредеV, ления механических свойств горных пород (прессиометра ПМ-46), путем регистрации перемещений стенок скважины этим прибором посредством замерных щупов, пропущенных через отверстия б корпусе и упирающихся в породу. Перемещения стенок скважины через замерные щупы преобразуются в электрические сигналы, передаваемые по кабелю на электроизмерительную аппаратуру D1. Известен также способ определения упругих свойств массива горных пород включанщий нагружение стенок скважиГОРНЫХ ПОРОД ны распорным фиксированным давлением и измерение смещений точек поверхности массива при его нагружении с последующей обработкой данных 2. Недостатком указанного способа и устройства для его реализации является невысокая точность измерения перемещений, конструктивная сложность устройств, трудоемкость процесса измерений, ограниченное количество информации, получаемой в результате измерений, невозможность измерения перемещения точек массива в других направлениях относительно направления приложения сил. Цель изобретения - определение перемещЪний точек поверхности массива во всех направлениях относительно направления сил и повьшение точности измерения. Цель достигается тем, что пойерхность нагруженного массива освещают когерентным светом и экспонируют ее на регистрирующую среду, при этом смещение точек массива определяют по формуле II г и -. ..,. I m зтЧ где m - коэффициент уменьшения изобра жения; - длина волны излучения; f - угловое расхождение интерференционных полос. На фиг. 1 изображена принципиальная схема получения спекл -интерферограмм при двух состояниях объекта на фиг. 2 - схема определения абсолют ных деформаций в любой точке поверхности массива. Способ измерения деформаций и определения .упругих свойств массива заключается в следующем. В массиве 1 горных пород (фиг. I) бурится скважина 2. В устье 3 скважины 2 -вводят нагружающее устройство 4 (нагружающее устройство представляет собой трубчатую резиновую оболочку, зажатую на торцах и соединенную посредством трубопровода высокого дав ления 5 с нагнетательным насосом 6). На .расстоянии 1-2 м от устья скважины 2 устанавливают лазер 7, пучок света 8 которого освещает поверхность нагружного массива 9 (на фиг. 1 - поверхность вокруг устья скважины 2) , Для расширения пучка используют коллимирующую систему 10, выполненную соосно с лазером 7, позволяющую освещать площадь массива диаметром D . Изображение освещенной части массива 9 формируется объективом 11 фотокамеры 12, в фокусе которой помещают регистрирующую среду, например светочувствительную пластину 13. Посредством подачи воздуха или масла под высоким давлением в нагружающее устройство нагружают стенки скважины 2 распорным давлением, вслед ствие чего происходит радиальное смещение точек массива вокруг устья скв жины. После этого экспонируют изображение освещенного участка массива 1 на регистрирующую среду 13 при фиксированной величине нагружения. Дале разгружают стенки скважины 2 путем снятия распорного давления и производят вторую экспозицию изображения освещенной части объекта на ту же регистрирующую среду 13, причем регистрирующая среда между первой и вто рой экспозицией не должна иметь смещений, а освещенная часть поверхности объекта подвергаться механическим 8 4 воздействиям и должна быть защищена от попадания на нее воды, влаги, пыли. В результате на фотопластинке образуется негативное изображение освещенного когерентным светом участка массива пород (например вокруг устья скважины - спекл -интерфер.ограмма, которая содержит большое количество информации о смещениях точек освегДенного участка массива горных пород). При расшифровке спекл -интерферограммы известным способом по известным формулам находится смещение в любой точке освещенного массива, а по ним - относительные деформации; как продольные, так и попереч|ные. Значение смещения объекта в каждой точке определяется по формуле П- SinM где m - коэффициент уменьшения изображения ; /L - длина волны излучения; V - угловое расхожде41ие интерференционных полос. . Компоненты смещения U и Uy определяются по формуле и Ucosd; Uy U-sincL, где oL - угол между осью X негативного изображения образца на, голограмме и направлением полного смещения рассматриваемой точки образца, совпадающим с нормалью к интерференционным полосам на экране. Используя формулу 1см. фиг. 2) где Р нагрузка на стенки скважины, кгс/см ; радиус скважины, см; расстояние от центра скважины до точки на поверхности массива, перемещение которой измеряют, см; модуль упругости, кг/см, можно ПХ1 измеренным значениям U ri значениям /и. (определенным другим известным способом) определить модуль упругости массива в любой точке освещенной части поверхности массива. Относителыше продольные деформав ции между точками и З и относительные поперечные деформации между

точками 2 и 4 определяются по формулам

Ux . Оч,-и%

тг

е..ЬЛ

VV- I

6(

где b- расстояние меяоду точками измерений в продольном направлнии;

с. - расстояние между точками измерений в поперечном направлении.

Если направление оси X выбрать строго по направлению оси X (центр скважины - точка измерения)., а ось У перпендшсулярно ей, то величину Еу можно считать продольной деформацией, а Ej - поперечной, В этом случае можно определять составляющие главных напряжений.

Точность измерения смещений предлагаемым способом - порядка 0,040,015 мкм.

Внедрение данного изобретения в практику исследований механических свойств горных пород повысит надежность натурных испытаний.

Формула изобретения

Способ определения упругих свойств массива горных пород, включающий наi гружение стенок скважины распорным фиксированным давлением и измерение смещений точек поверхности массива при его нагружении с последующей обработкой данных, отличающийс я тем, что, с целью определения перемещений точек поверхности массива во всех направлениях относительно направления приложения сил и повышения точности измерений, поверхность нагруженного массива освещают когерентным светом и зкспонируют ее на регистрирующую среду, при зтом смещение точек массива определяют по формуле

II Л m.

где П1 - коэффициент уменьщения изображения ;

X - длина волны излучения; V - угловое расхождение интерференционных полос. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Л., ВНИМИ, 1966, с. 156-164.

2.Методические указания по проведению натурных испытаний и механических свойств угля и пород с помощью давильной установки. Л., ВНИМИ, 1966 (прототип).

И