Способ определения напряжений в массиве горных пород Советский патент 1981 года по МПК E21C39/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

1

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород.

Известен способ определения полных напряжений, согласно которому бурят измерительную скважину, устанавливают в нее фотоупругий датчик напряжений, бурят параллельно измерительной разгрузочную скважину, затем по оптической картине, возникшей в датчике за счет бурения разгрузочной, определяют направление главных напряжений в породе. Затем бурят вторую измерительную скважину параллельно первой,- устанавливают в нее кольцевой фотоупругий датчик напряжений, бурят вблизи второй измерительной скважины параллельно ей по крайней мере еш,е одну дополнительную разгрузочную скважину в направлении одного из главных напряжений в породе, после чего по показаниям второго фотоупругого датчика определяют величину главных напряжений в массиве 1.

Недостатком этого способа является его большая трудоемкость.

Известен также способ определения напряжений в массиве горных пород, включаюший бурение исследовательской и соосной с ней измерительной скважины, установку в последней измерительного устройства, обуривание измерительной скважины и извлечение кольцевого керна 2

Недостатком этого способа является то, что он дает положительные результаты в горных массивах, породы которого позволяют выбуривать куски керна значительной длины (например, не менее 20 мм). Это, как правило, крепкие монолитные породы. В большинстве случаев, где необходимо

10 определять напряжения, керн из-за наличия трещиноватости, небольшой прочности породы, вибрации и заштыбовки бурового снаряда разламывается при бурении на куски небольшой длины. Преждевременный

J5 срыв керна нарушает установку деформометра, иногда приводит к его поломке. Приходится углублять скважину и повторять опыт. После нескольких преждевременных срывов керна приходится бурить новую скважину, что связано со значительной

20 затратой времени и рабочей силы на перестановку бурового станка. При этом заранее оценить опасность преждевременных срывов керна весьма трудоемко, необходимо предварительно бурить параллельную разведочную скважину. Все это снижает производительность определения напряжений существующим способом и ограничивает область его применения крепкими монолитными породами. Целью изобретения является увеличение производительности. Поставленная цель достигается тем, что измерительное устройство выполняют в виде полого цилиндра из оптически чувствительного материала, вклеивают его перед обуриванием в измерительную скважину, затем кольцевой керн вместе с вклеенным в него цилиндром извлекают и разрезают на диски разной толщины, ориентированные к оси цилиндра под разными углами, после чего определяют напряжения в оптически чувствительном материале, находящемся в дисках, по которым судят о напряженном состоянии массива. На фиг. 1 изображены исследовательская 1 и соосная с ней измерительная 2 скважины, полый цилиндр 3 из оптически чувствительного материала, клей 4, пробка 5, манжета 6, щтифты 7; на фиг. 2 ,- исследовательская и измерительная скважины, вклеенный полый цилиндр, разгрузочная скважина. 8 и керн 9; на фиг. 3 керн и линии разрезов 10 на диски. Способ осуществляется следующим образом. Бурят исследовательскую скважину 1 до места измерения напряжений, затем бурят измерительную скважину 2. Стенки скважины 2 протирают и обезжиривают ацетоном. В измерительную скважину вклеивают полый цилиндр 3 клеем 4. Для предотвращения вытекания клея цилиндр снабжен пробкой 5 и манжетой 6, а для центрирования цилиндра в скважине служат щтифты 7. Вклеенный полый цилиндр укрепляет породу вокруг измерительной скважины. Цилиндр является своего рода армировкой и предотвращает преждевременное разрущение керна. После полной полимеризации клея производят обуривание кольцевой щелью 8 керна 9, его срыв и извлечение из скважины. При выбуривании керна порода разгружается от напряжений, действующих в массиве, которые вызывают напряжения в цилиндре из оптически чувствительного материала. Для их определения керн разрезают на диски, и оптически чувствительный материал в дисках исследуют на поляризационно-оптической установке. Используя известный математический аппарат теории упругости или тарировку осуществляют переход от напряжений, определенных в оптически чувствительном материале диска, к напряжениям. действующим в массиве в месте измерения и по направлениям, совпадающим с плоскостью диска. При лабораторных испытаниях предлагаемого способа в образце мрамора кубической формы с длиной грани 150мм бурится отверстие (скважина) диаметром 24 мм. Образец нагружается на прессе одноосной нагрузкой. В отверстие образца, находящегося под нагрузкой, эпоксидным клеем холодного отверждения вклеивается полый цилиндр из оптически чувствительного материала ЭД-6М. Наружный диаметр цилиндра 20 мм, диаметр отверстия 10 мм. Образец находится под нагрузкой до полной полимеризации клея (20 ч). После этого образец разгружается и разрезается алмазным кругом на срезы, перпендикулярные оси скважины, толщиной 2-12 мм. Срезы исследуются на поляризационно-оптической установке КСП-6. Испытано три образца при различных нагрузках. Напряжения, определенные предлагаемым способом, сопоставляются с напряжениями, созданными в образцах прессом. Сопоставления показывают, что отклонения замеренных напряжений составляют не более 10%. Использование предлагаемого способа определения напряжений в массиве горных пород методом разгрузки обеспечивает по сравнению с известными увеличение производительности, так как применение в качестве измерительного элемента цилиндра из оптически чувствительного материала не требует выбуривания керна больщой длины, поскольку диски, достаточные для определения напряжений, могут быть вырезаны из отдельных кусков небольщой длины, и кроме того, отпадает необходимость в бурении разведочной скважины; расширение области применения в результате то вклеиванием цилиндра укрепляется порода вокруг измеритедьной скважины, что позволяет выбуривать куски керна, доста очные для определения напряжений в тех местах массива, где по известному способу они не получаются. Формула изобретения Способ определения напряжений в массиве горных пород, включающий бурение исследовательской и соосной с ней измерительной скважин, установку в последней измерительного устройства, обуривание измерительной скважины и извлечение кольцевого керна, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности, измерительное устройство выполняют в виде полого цилиндра из оптически чувствитель материала, вклеивают его перед обуриванием в измерительную скважину, затем кольцевой ке.рн вместе с вклеенным в него цилиндром извлекают и разрезают на диски разной толщины, ориентированные к оси цилиндра под разными углами, после чего определяют напряжения в оптически чувствительном материале, находящемся в дисках, по которым судят о напряженном состоянии массива.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 711287, кл. Е 21 С 39/00, 1974.

2. Влох Н. П., Сашурин А. Д. Измерение напряжений в массиве крепких горных пород. М., «Недра, 1970, с. 37 (прототип).