Способ оценки напряжений в массиве горных пород Советский патент 1982 года по МПК E21B47/00 E21C39/00 

(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

1

Изобретение относится к горному делу, а точнее к горной механике.

Известны способы оценки напряжений в массиве горных пород, основанные на изменении физических свойств горных пород под воздействием внешнего давления. Зависимость между физическими свойствами и внешним давлением установлена опытным путем при исследовании образцов горных пород, подвергаюш,ихся регулируемому внешнему давлению 1.

Недостатком этих способов является неоднозначность истолкования результатов измерений, поскольку и температура в массиве, и скорость упругих волн, и электрические характеристики зависят не только от механических напряжений в породах, но и от таких факторов, как состав пород, их структурно-тектурные особенности, влагонасыщенность и др.

Известен также способ оценки напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважины с извлечением керна и оценкой эффективнь1х электрических сопротивлений участков скважин с последующим сопоставлением данных 2.

Недостатком известного способа является низкая достоверность результатов, поскольку эффективные электрические сопротивления пород (ЭС) зависят не только от механических напряжений, но и от изменения состава пород, их пористости, влагонасыщенности, минерализации поровых вод.

Цель изобретения - повышение достоверности оценки.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют эффективные электрические сопротивления кернов, извлеченных с участков измерения эффективных электрических сопротивлений в скважинах, а сопоставление данных производят путем определения разницы сопротивлений, измеренных на стенках скважин и в кернах, соответствующих этим участкам этих скважин.

Сопоставление ЭС одних и тех же пород, измеренных на стенках скважин и в кернах, позволяет исключить влияние на результаты исследований таких факторов, как состав, структура и влагонасыщенность пород, что обеспечивается условиями измерений в кернах, и таким образом выделить зависимость ЭС только от механического напряжения, поскольку измерения ЭС пород на стенках скважин производят в условиях естественного залегания при естественном напряжении массива, обусловленном действием горного давления, а измерения в кернах выполняют при отсутствии напряжений, т. е. в условиях разгрузки.

Привлечение методов математической статистики к обработке результатов измерений позволяет исключить влияние случайных погрешностей и, тем самым, еще больше пввысить достоверность результатов исследований.

На фиг. 1 изображен график распределения ЭС, измеренных на стенках буровых скважин по всем породам месторождения, в соответствии с этим все породы разбиты на шесть статистически однородных групп, удовлетворяюш.их логарифмически нормально ру закону распределения; на фиг. 2 - 4 -графики распределения ЭС, измеренных в кернах, т. е. в отсутствие напряжения, внутри отдельных соответственно И III и IV статистически однородных групп, выделенных по результатам скважинных измерений; на фиг. 5 - геологический разрез месторождения с указанием зон пониженного 1, повышенного 2 и нормального 3 напряжений, где В - восток; 3- запад; С - 13...С-26 - обозначения скважин; на фиг. 6 - геологический разрез месторождения со следующими условными обозначениями: 4 - рыхлые отложения; 5 - туффиты; 6 - лавы дацитовых порфиритов; 7 - липарит-дацитовый порфирит; 8 - диабазовый миндалекаменный порфирит; 9 и 10 - породы дайкового комплекса.

. Способ осуществляется следующим образом.

Производят бурение скважин с отбором керна по всему стволу. После этого производят электрический каротаж скважин по методу ЭС.

Выполняют статистическую обработку результатов каротажа ЭС. Для этого на имеющихся диаграммах ЭС определяют в пределах отдельных интервалов ЭС длину этих интервалов и соответствующее им ЭС. Далее строят в логарифмическом масштабе кривую распределения ЭС всех пород месторождения. Относительную частоту распространения отдельных значений ЭС вычисляют по длине соответствующих интервалов стволов скважин (каротажных диаграмм).

В соответствии с построенным графиком все породы разбивают на статически однородные группы, подчиняющиеся логарифмически нормальному закону распределения ЭС, как это показано на фиг. 1.

Геологический разрез скважин разбивают по величине ЭС. на зоны, относящиеся к соответствующим выделенным статистическим, группам. :

Производят, руководствуясь диаграммой ЭС, отбор кернов из зон скважин, отне сенных к одним и тем же статистически однородным группам. Керны отбирают через фиксированные интервалы, например, в 1,0 или 0,5 м. Длина керна должна быть достаточной (640 см) для измерения его ЭС лабораторной установкой.

Определяют ЭС отобранных кернов одним из известных лабораторных методов. Для обеспечения постоянства ыккеращзации поровых вод при измерениях ЭС на стенках скважин и в кернах, керны перед измерениями рекомендуется замачивать.в,той

же воде, на основе которой приготавливают буровой раствор на данном месторождении. Строят в логарифмическом масштабе графики статистического распределения ЭС, измеренного в кернах, отобранных из зон, отнесенных к отдельным выделенным по каротажным диаграммам статистически однородным группам

Проводят для каждой статистически однородной группы сопоставление графиков 0 распределения ЭС керна с теоретическими кривыми логарифмически нормального распределения, которыми описываются распределения ЭС, измеренных по каротажу ЭС.

Характер изменения ЭС пород с -повышением напряжения зависит от того, что оказывает превалирующее влияние: микроструктура минералов или макроструктура породы.

На месторождениях сульфидных и полиметаллических руд наблюдается уменьщение 0 ЭС пород с увеличением механического напряжения в них. По этой причине-максимум на кривой распределения ЭС, измеренных в кернах, приходится правее на более высокие значения, чем на кривой распределения ЭС, измеренных на стенках буровых 5 скважин.

Породы, вошедшие в каждую выделенную статистическую группу, могут находиться под различными напряжениями, как нормальными, так и аномальными, т. е. повышенными и пониженными. Это отчетливо проявляется на кривых распределения ЭС, измеренных в кернах (фиг. 2-4). Эти кривые, кроме основного максимума, соответствующего кернам, находившимся в скважинах под нормальным напряжением, имеют 5 дополнительные максимумы, как правее, так и левее.

Можно заключить, что керны, дающие максимум ЭС правее основного, отобраны из зон высокого напряжения, а дающие максимум ЭС левее основного - из зон пониженного напряжения.

Наличие сложных кривых распределения ЭС образцов является основанием для проведения дальнейших. исследований с целью прослеживания в пространстве участков поS вышенного или пониженного напряжения в массиве горных пород.

По сопоставлению кривых распределения определяют наиболее вероятные значения

ЭС кернов в областях аномального (раздельно повышенного и пониженного) напряжения.

Устанавливают по значениям ЭС керна номера скважин и интервалы глубин, соответствующие зонам аномальных напряжений.

На геологические разрезы и карты наносят соответствующими условными обозначениями местоположения интервалов повышенного и пониженного напряжений и проводят их корреляцию, как это показано на фиг. 5.

В случае необходимости оценивают величину напряжения количественно, увеличивая внешнее давление на керн до тех пор, пока его ЭС не достигнет величины, полученной по измерениям в скважине.

/7/зылер. Применение способа в условиях медноколчеданного месторождения «Осеннее (Ю. Урал).

В стенках скважин, пробуренных при разведке месторождения, проводились измерения ЭС с помощью двухметрового обращенного градиента - зонда ВО, 2А1, 9М.

Результаты измерений ЭС в общем объеме 2395 м по всей совокупности пород были подвернуты статистической обработке и по ним в логарифмическом масштабе построен график распределения ЭС всех пород, приведенный на фиг. 1.

В соответствии с полученным графиком распределения ЭС все горные породы месторождения разбиты на шесть статистически однородных групп, подчиняющихся логарифмически нормальному закону распределения (пунктирные кривые на фиг. 1). Эти группы имеют следующие модальные значения ЭС: I группа - 250 Ом-м; II группа - 580 Ом-м; III группа - 1200 Ом-м; IV группа - 3400 Ом-м; V группа - 10000 Ом-м; VI группа - 18000 Ом-м.

Геологические разрезы скважин, охваченные статистической обработкой, были распределены на зоны, соответствующие выделенным шести статистическим группам, а затем были отобраны керны из каждой зоны через каждый метр ствола скважины. Таких кернов было отобрано по группам соответственно: I группа - 74; II - 87; III -70; IV 44; V - 74; VI -48 штук.

Длина керна составляла 6-10 см.

Керны замачивались в воде, взятой из той же скважины, из которой снабжались глиномешалки, готовящие глинистый раствор для бурения скважин. ЭС кернов измерялись четырехточечной лабораторной установкой.

Результаты лабораторных измерений ЭС внутри каждой выделенной группы снова подвергались статистической обработке и по ним строились кривые распределения также в логарифмическом масштабе. На фиг. 2, Зи

4 представлены графики распределения ЭС пород II, III и IV групп. Кривые на этих графиках имеют основной максимум, который соответствует ЭС кернов, находившихся в скважинах под нормальным напряжением,

и два дополнительных максимума. Основной максимум приходится на более высокие ЭС, чем модальные значения ЭС, найденные по измерениям в скважинах. Так, для I группы это 350 Ом-м вместо 250 Ом-м; для II группы - 1000 Ом-м вместо 580 Ом-м; для III - 1900 Ом-м вместо 1200 Ом-м; для IV - 4200 Ом-м вместо 3400 Ом-м и т. д.

Увеличение статистически наиболее вере ятных значений ЭС кернов по сравнению с наиболее вероятными ЭС тех. же пород в

услови5 х естественного залегания, т. е. в буровых скважинах, объясняется тем, что породы, исследуемые в буровых скважинах, находятся в напряженном состоянии под воздействием горного давления, которое уменьшает их ЭС по сравнению с ЭС кернов, измеряемых в условиях разгрузки.

Выводы по оценке напряжений в массиве горных пород, сделанные на основании изучения ЭС по предлагаемому способу, хоро шо согласуются с результатами геомеханичес5 ких исследований, выполненных на месторождении в разведочной шахте по традиционной методике. Однако по сравнению с традиционными геомеханическими способами предлагаемый способ позволяет изучить гораздо большие по объему массивы гор0ных пород и с гораздо меньшими затратами времени и средств.

Формула изобретения

Способ оценки напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважин с извлечением керна и оценкой эффективных электрических сопротивлений участков скважин с последующим сопоставлением данных, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности оценки, измеряют эффективные электрические сопротивления кернов, извлеченных с участков измерения эффективных электрических сопротивлений в скважинах, а сопоставление данных производят путем определения разницы сопротивлений, измеренных на стенках скважин и в кернах, соответствующих участкам этих скважин.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

Наст., Iо

О

100 Z5Q 560 lioa JW юооо moo юоооо зс,ом м

Фиг.. /

10

250то3800 10000

то бгоо

Фие.З

т fiZOOZ5000 WOOOO ЗС,ОМ-М

Фме.

100000 ЗС, ом-м

100000 ЭСу W-W