СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO ASSESS STRESSED CONDITION OF ROCKS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Технические решения относятся к горному делу и могут быть использованы для оценки напряженного состояния горных пород в породном массиве и различных сооружений, например плотин.
Известен способ оценки напряженного состояния горных пород по патенту РФ №2292456, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №3, 2007 г., включающий бурение скважины, формирование трещины разрывом горной породы пластичным веществом в плоскостях, параллельных стенкам выработки, измерение давления разрыва и оценку напряженного состояния горных пород по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую трещину.
Этот способ предназначен для определения состояния породного массива вблизи выработок и позволяет оценивать только те компоненты напряжения, которые обуславливают дезинтеграцию горных пород и их отжим в сторону свободного пространства. Способ не позволяет определять распределение напряжений в заданной плоскости, из-за чего он имеет сравнительно малую эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения напряженного состояния массива горных пород по патенту РФ №1314774, кл. Е21С 39/00, опубл. в 1997 г., включающий установку в скважину жесткого волновода, возбуждение в нем ультразвуковых колебаний и измерение амплитуды колебаний волновода, по которой определяют величину напряжений в массиве, при этом скважину заполняют твердым дисперсным материалом и уплотняют его.
Способ является относительно трудоемким из-за необходимости возбуждения в волноводе упругих колебаний и их приема. Напряженное состояние массива горных пород определяют косвенно через параметры упругих колебаний волновода. Характер колебаний волновода существенно зависит от заполняющего скважину твердого дисперсного материала, а также величины и равномерности его уплотнения. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность способа.
Известно устройство для определения параметров расслоений горных пород в массиве по патенту РФ №2248446, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №8, 2005 г., включающее сигнальную линию в виде стержня и электроды, подключенные к регистрирующей аппаратуре. Стержень выполнен хрупким и электропроводящим. Внутри стержня проложен провод, на котором установлены электроды, контактирующие со стержнем и проводниками к регистрирующей аппаратуре.
Это устройство позволяет оценивать интегральную сжимающую силу без определения величин и ориентации ее составляющих. Поэтому его использование для определения нормальных напряжений в трех разных плоскостях малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для оценки напряженного состояния горных пород по патенту РФ №2292456, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №3, 2007 г., включающее трубу с внешней резьбой на конце, герметизатор из эластичного материала, заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, систему нагнетания пластичного вещества в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора. Оно снабжено кольцом с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением. На болты с обеих сторон кольца надеты пружины. В кольцо вмонтирован датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе, соединен с регистратором. На трубу и кольцо навинчены втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями с обоих концов и коническим выступом на одном конце. На каждой из втулок последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала. Втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, а расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца и длины внешней резьбы трубы.
Это устройство сложно по конструкции, способно определять силы сжатия в одной плоскости и оценивать величину только того напряжения, которое обуславливает дезинтеграцию горных пород вблизи горных выработок. Поэтому его использование для определения через одну скважину сил сжатия в трех разных плоскостях и оценки напряжений в произвольном месте (не вблизи горных выработок) неэффективно.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет контроля распределения касательных напряжений в требуемой плоскости и устройства за счет измерения через одну скважину сил сжатия в трех параллельных оси устройства заданных плоскостях.
Задача решается тем, что в способе оценки напряженного состояния горных пород, включающем установку в скважину устройства для реализации способа, заполнение скважины дисперсным материалом, определение напряжений в массиве согласно техническому решению задают три параллельные оси скважины плоскости и определяют нормальные к ним напряжения, по которым в перпендикулярной оси скважины плоскости определяют распределение касательных напряжений.
В условиях сложного напряженного состояния массива горных пород значение напряжений в разных направлениях различно. В одной плоскости касательные напряжения изменяются с изменением направления (ориентации векторов касательных напряжений) по эллиптическому закону. Поэтому распределение касательных напряжений в требуемой плоскости можно определить по эллипсу. При этом определяемые касательные напряжения направлены по касательным к эллипсу, а скалярные величины касательных напряжений равны расстояниям от точек контакта касательных с границей эллипса до точки пересечения его осей. Для построения такого эллипса необходимо знать ориентацию и значения его осей. Сделать это можно по величинам нормальных к заданным плоскостям напряжений. При этом очевидно, что нормальные к заданным плоскостям напряжения в перпендикулярной оси скважины плоскости являются касательными. В описании способа доказано, что для построения указанного эллипса необходимо и достаточно знание значений трех нормальных напряжений к заданным плоскостям, и приведена методика его построения по данным измерения. Очевидно, что распределение напряжений (как совокупность большого числа векторов) содержит информации больше, чем величина одного напряжения (одного вектора). Отметим, что реализация способа предусматривает слежение за распределением касательных напряжений, т.е. позволяет осуществлять контроль его изменения во времени. Таким образом, повышается эффективность способа за счет контроля распределения касательных напряжений в требуемой плоскости.
Целесообразно в качестве дисперсного материала использовать твердеющий раствор. Это позволяет среду между устройством для реализации способа и стенками скважины делать сплошной и по прочностным характеристикам эквивалентной горной породе, что повышает эффективность способа за счет снижения влияния свойств дисперсного материала на результат измерения нормальных напряжений.
Целесообразно в качестве дисперсного материала использовать твердеющий раствор, который при отвердении расширяется. Это сокращает время релаксации напряжений, так как восстанавливает деформацию стенок скважины, обусловленную их расслоением под действием высокого напряжения и отжимом горной породы в пробуренное пространство, что повышает эффективность способа.
Целесообразно нормальные напряжения измерять в трех полуплоскостях, исходящих из оси скважины под углом 120° относительно друг друга. Это повышает эффективность способа за счет увеличения его точности из-за существенной разности нормальных напряжений в точках, расположенных в этом случае на максимальном расстоянии относительно друг друга.
Задача решается также тем, что в устройстве для оценки напряженного состояния горных пород, включающем трубу и измерительную систему с регистратором, согласно техническому решению измерительная система установлена на внешней поверхности трубы и выполнена из трех датчиков силы, которые расположены таким образом, что измеряют силы сжатия в трех параллельных оси трубы заданных плоскостях.
Такое техническое решение позволяет осуществлять прямое измерение через одну скважину силы сжатия в трех параллельных оси трубы заданных плоскостях, т.е. получать данные, необходимые и достаточные для определения распределения касательных напряжений в плоскости, перпендикулярной трубе, что существенно повышает эффективность устройства.
Целесообразно датчики силы установить таким образом, чтобы они измеряли силы сжатия в трех полуплоскостях, исходящих из оси трубы под углом 120° относительно друг друга. Это позволяет установить датчики силы с равным и максимально возможным расстоянием относительно друг друга и тем самым до минимума снизить их взаимное влияние, что увеличивает точность измерения и, следовательно, повышает эффективность работы устройства.
Целесообразно датчик силы выполнить в виде кюветы с диэлектрической поверхностью, в которую поместить эластичное вещество, электрическое сопротивление которого зависит от давления, при этом в эластичное вещество ввести электроды, которые подключить к регистратору, а эластичное вещество накрыть диэлектрической пластиной, при этом на датчик силы надеть хомут. Такое техническое решение упрощает конструкцию и, следовательно, повышает надежность работы датчика силы, что также повышает эффективность устройства.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-4.
На фиг.1 показана схема устройства для оценки напряженного состояния горных пород и его установки в скважине, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема определения параметров эллипса для любых заданных параллельных оси скважины плоскостей, отображающего распределение касательных напряжений в требуемой плоскости; на фиг.4 - схема определения параметров эллипса для трех полуплоскостей, исходящих из оси скважины под углом 120° относительно друг друга, отображающего распределение касательных напряжений в требуемой плоскости;
Способ реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В пробуренную в породном массиве 1 (далее - массив 1) скважину 2 (фиг.1) подают устройство для оценки напряженного состояния горных пород (далее - устройство), включающее трубу 3 с заглушкой 4 на вводимом в скважину 2 конце. Устройство подают таким образом, чтобы его ось совпадала с осью скважины 2. На внешней поверхности трубы 3 установлена измерительная система из трех датчиков 5 силы (далее - датчик 5) таким образом, что они измеряют силы сжатия в трех параллельных оси скважины 2 заданных плоскостях, например в полуплоскостях 6 (фиг.2), исходящих из оси скважины 2 под углом 120° относительно друг друга. Датчик 5 выполнен в виде кюветы 7 с диэлектрической поверхностью (на фиг.1 и 2 не показана), в которую помещено эластичное вещество 8 (далее - вещество 8), электрическое сопротивление которого зависит от давления. В вещество 8 введены электроды 9 (фиг.1), которые через проводники 10 подключены к регистратору (на фиг.1 не показан). Вещество 8 накрыто диэлектрической пластиной 11 (далее - пластина 11). Для удержания пластины 11 от выпадения из кюветы 7 на датчик 5 надет хомут 12. Датчики 5 скреплены с трубой 3 втулками 13, которые вставлены в соответствующие отверстия (на фиг.1 не обозначены). Проводники 10 от датчиков 5 пропущены через втулки 13 и трубу 3. Затем скважину 2 заполняют дисперсным материалом, например твердеющим раствором 14 (далее - раствор 14), который при отвердении расширяется. После отвердения раствора 14 и релаксации напряжений в породном массиве 1 по значениям измеренных сил сжатия определяют нормальные к заданным плоскостям напряжения как отношение сил сжатия к площадям измерительных частей датчиков 5. В конкретном примере реализации площадь измерительной части датчика 5 равна площади пластины 11. Затем определяют величины и ориентации максимального и минимального касательных напряжений в перпендикулярной оси скважины плоскости, по которым строят эллипс. По параметрам эллипса определяют распределение касательных напряжений в требуемой плоскости.
В прямоугольной системе координат x и y (фиг.3) изменение скалярного значения σ касательного напряжения (далее - напряжение σ) в плоскости расположения эллипса можно рассматривать как изменение длины отрезка прямой, ограниченной границей эллипса и точкой 0 пересечения его осей. Согласно принятым на фиг.3 обозначениям каноническое уравнение (далее - уравнение) эллипса имеет вид:
min
max
где 2σ и 2σ - длины его осей.
1
2
3
1
2
Подставляя в уравнение (1) определенные из измерения напряжения σ, σ и σ, представленные на фиг.3 как отрезки прямых, исходящих из точки 0 под углами β и β относительно друг друга, и выраженные через их проекции на оси координат x, y, и угол λ между одним из отрезков и осью x, имеем следующую систему уравнений:
min
max
Система уравнений (2) состоит из трех уравнений с тремя неизвестными (σ, σ и λ), поэтому она решаема, т.е. из нее можно получить все необходимые данные для построения указанного эллипса.
Для трех полуплоскостей, исходящих из оси скважины под углом 120° относительно друг друга получено точное решение (фиг.4). Согласно принятым на фиг.4 обозначениям система уравнений (2) преобразуется в следующую систему уравнений:
min
max
Решая первые два уравнения системы уравнений (3) относительно σ и σ, имеем:
Подставляя (4) и (5) в третье уравнение системы уравнений (3) и решая относительно угла λ, имеем:
1
2
3
min
max
По известным ориентациям датчиков 5, углу λ и значениям напряжений σ, σ и σ определяют ориентацию осей эллипса, отображающего распределение касательных напряжений в плоскости, перпендикулярной оси скважины 2. Затем значение угла λ подставляют в уравнения (4) и (5), находят σ и σ, строят эллипс и по параметрам эллипса определяют распределение касательных напряжений в требуемой плоскости и по нему оценивают напряженное состояние горных пород.
В примере конкретной реализации способа для упрощения его описания и наглядности рассмотрен наиболее простой вариант, с нисходящей скважиной 2. Такое исполнение предполагается использовать для оценки напряженного состояния горных пород через скважину 2, пробуренную с дневной поверхности, например, при изыскании места заложения и проектировании систем крепления стволов шахт и рудников, контроле состояния бортов глубоких карьеров и т д. Вместе с этим ориентация скважины 2 может быть любой. Для заполнения горизонтальных и восходящих скважин 2 раствором 14 предполагается использовать известные технические решения.
В способе связь с породным массивом осуществляют через искусственную среду, образованную в скважине 2 раствором 14, напряженное состояние которой в начальный момент может отличаться от напряженного состояния горных пород. Согласно известным законам релаксации напряжений выравнивание компонент напряжений в скважине 2 после ее заполнения твердым материалом и во вмещающем ее породном массиве 1 происходит сравнительно длительное время, которое практически может исчисляться месяцами. Здесь следует отметить, что даже при таких сроках вхождения измерительной системы в нормальный режим работы способ имеет существенное значение, например, для контроля за сдвижением горных пород и устойчивостью капитальных выработок на горных предприятиях, срок эксплуатации которых исчисляется десятками лет. Вместе с этим в способе предусмотрена возможность значительного сокращения времени выравнивания напряжений в скважине 2 с раствором 14 и за ее пределами. Для этого используют раствор 14, который при отвердении расширяется, отчего горная порода отжимается в сторону, обратную ее деформации во время и после бурения скважины 2. При этом горная порода сопротивляется действующим на нее силам со стороны раствора 14. Это сопротивление в разных направлениях различно и напрямую зависит от характера напряженного состояния породного массива 1. Например, в направлении максимальных напряжений горная порода отжимается с наибольшим сопротивлением. Поэтому уже на стадии отвердения раствора 14 в нем и горной породе ориентации компонент напряжения совпадают. Если горную породу (стенки скважины 2) отжать на величину, равную ее деформации от бурения скважины 2, то напряжения в ней, а также и в растворе 14 (после отвердения), окажутся такими, какими они были до бурения скважины 2, т.е. как в нетронутом породном массиве 1.
Способ предполагает непрерывное слежение за изменением перераспределения касательных напряжений в требуемой плоскости и оценку напряженного состояния горных пород по методикам, разрабатываемым для конкретных горных предприятий с учетом условий отработки полезных ископаемых и закономерностей, выявляемых в ходе освоения месторождения.
Способ и устройство предполагается также использовать для контроля состояния искусственных массивов, например плотин. В таких случаях установку устройства осуществляют во время возведения искусственных массивов.