СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ASSESSING STRESSED CONDITION OF ROCKS AND DEVICE THEREFOR

Группа изобретений относится к горному делу и может быть использована для оценки напряженного состояния горных пород в породном массиве и различных сооружений, например плотин.
Известен способ определения напряженного состояния массива горных пород по патенту РФ №1314774, кл. E21C 39/00, опубл. 20.03.1997 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 относительно трудоемок из-за необходимости возбуждения в волноводе упругих колебаний и их приема. Напряженное состояние массива горных пород определяют косвенно через амплитуды колебаний волновода. Характер колебаний волновода существенно зависит от заполняющего скважину твердого дисперсного материала, а также величины и равномерности его уплотнения, что повышает требования к созданию искусственной среды, отделяющей волновод от породного массива. Все это обуславливает сравнительно низкую эффективность способа
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ оценки напряженного состояния горных пород по патенту РФ №2441157, кл. E21C 39/00, опубл. 27.01.2012, включающий установку в скважину устройства для реализации способа, заполнение скважины дисперсным материалом, определение напряжений в массиве. Задают три параллельные оси скважины плоскости и определяют нормальные к ним напряжения, по которым в перпендикулярной оси скважины плоскости определяют распределение касательных напряжений.
Способ позволяет через одну скважину определять распределение напряжений только в одной плоскости. Для оценки пространственного распределения напряжений в породном массиве необходимо проведение измерений с использованием нескольких скважин с различной ориентацией, что обуславливает относительно высокую трудоемкость способа и, следовательно, его сравнительно низкую эффективность.
Известно устройство для оценки напряженного состояния горных пород по патенту РФ №2441157, кл. E21C 39/00, опубл. 27.01.2012, включающее трубу и измерительную систему с регистратором. 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.
Это устройство позволяет измерять силы сжатия только в трех плоскостях, проходящих через ось скважины, чего недостаточно для определения пространственного распределения напряжений. Поэтому оно обладает сравнительно низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для измерения напряжений в горных породах по авторскому свидетельству СССР №763595, кл. E21C 39/00, опубл. в БИ №34, 1980 г., включающее металлический тонкостенный цилиндрический корпус с гофрами и заполненный жидкостью под давлением, переднюю и заднюю герметизирующие обоймы с распорными кольцами и розетку деформаций с тензометрическими элементами. Оно снабжено дополнительными розетками деформаций, укрепленными на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, причем тензометрические элементы в каждой розетке ориентированы под острым углом к оси скважины.
Устройство обладает сложной конструкцией и высокой трудоемкостью эксплуатации, обусловленной необходимостью управления давлением жидкости, оказывающим влияние на деформацию стенок скважины, а также требует предварительного определения упруго-деформационных характеристик горной породы для перехода от деформаций горной породы к напряжениям в ней, что усложняет оценку ее напряженного состояния. Поэтому оно имеет сравнительно низкую эффективность.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа оценки напряженного состояния горных пород за счет контроля с одного места пространственного распределения напряжений и в повышении эффективности устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации и повышение надежности его работы за счет упрощения конструкции.
Задача решается тем, что в способе оценки напряженного состояния горных пород, включающем установку в породном массиве через скважину устройства для реализации способа, определение в заданной плоскости значений напряжений по трем направлениям, ориентированным под углом 120° относительно друг друга, по которым находят распределение напряжений в заданной плоскости и оценивают напряженное состояние горных пород, согласно техническому решению в породном массиве через скважину создают шаровую полость, которую заполняют раствором, отвердевающим и расширяющимся при отвердении, устройство для реализации способа устанавливают в центре шаровой полости, распределение напряжений определяют еще в двух плоскостях, которые вместе с первой образуют три ортогональные плоскости, проходящие через центр шаровой полости, затем представляют распределения напряжений на ортогональных плоскостях в виде эллипсов, по которым, как по трем проекциям на ортогональные плоскости, строят эллипсоид, после чего напряженное состояние горных пород оценивают по ориентациям и численным значениям полуосей эллипсоида.
Такое техническое решение обеспечивает реализацию идеи оценки напряженного состояния горной породы на основе представления пространственного распределения в ней напряжений в виде эллипсоида. При этом значения напряжений в различных направлениях соответствуют векторам, исходящим из точки пересечения осей эллипсоида и ограниченным его поверхностью. Полуоси эллипсоида отображают направления и значения главных напряжений. Форму полости для размещения в породном массиве устройства для реализации способа выполняют шаровой, чтобы снизить зависимость характера взаимодействия подаваемого в нее указанного раствора и горной породы от формы полости. Благодаря использованию раствора, который отвердевает и расширяется при отвердении, поверхности шаровой полости раздвигаются, на что требуются усилия не только на деформацию горной породы, но и на преодоление сжимающих напряжений, величины которых в породном массиве распределены по направлениям. Поэтому согласно третьему закону Ньютона в пределах шаровой полости характер распределения напряжений, возникающих от расширения указанного раствора, по направлениям оказывается эквивалентным полю напряжений в породном массиве. Отметим, что в способе предполагают использовать раствор, например НРВ-80 (невзрывчатое расширяющееся вещество), который отвердевает и расширяется в основном, будучи уже в твердом состоянии. Устройство для реализации способа устанавливают в центре шаровой полости, чтобы оно располагалось симметрично относительно поверхности шаровой полости и тем самым обеспечивало снижение зависимости его работы от направлений, в которых оценивают напряжения. Распределение напряжений определяют еще в двух плоскостях, которые вместе с первой образуют три ортогональные плоскости, проходящие через центр шаровой полости, для получения данных, необходимых для построения трех проекций, позволяющих известными в черчении способами построить объемное тело, форма которого отображает распределение напряжений во вмещающей его среде. Для этого представляют распределения напряжений на ортогональных плоскостях в виде эллипсов, по которым, как по трем проекциям на ортогональные плоскости, строят эллипсоид. Напряженное состояние горных пород оценивают по ориентациям и численным значениям полуосей эллипсоида, используя известные закономерности изменении формы сферы при изменении напряжений во вмещающей ее среде. Таким образом, техническое решение обеспечивает построение эллипсоида, подобного тому эллипсоиду, который отображает распределение и численные значения напряжений в горной породе, залегающей в естественном массиве. Следовательно, исходя из известных принципов подобия, предлагаемым способом определяют пространственное распределение напряжений и соотношения их значений, а также, очевидно, возможность наблюдения за изменением определяемых величин во времени. В результате повышается эффективность способа за счет контроля с одного места пространственного распределения напряжений.
Целесообразно использовать отвердевающий и расширяющийся при отвердении раствор, который с учетом объема шаровой полости, размеров устройства для реализации способа и механических свойств горной породы, не разрывает породный массив. Это повышает эффективность оценки напряженного состояния горных пород за счет исключения возможности возникновения трещин на поверхности шаровой полости, снижающих точность определения напряжений.
Целесообразно после установки устройства для реализации способа указанным раствором заполнить скважину. Это снижает вероятность дезинтеграции горной породы вокруг скважины, влияющей на напряженное состояние породного массива, что повышает достоверность измерений, и следовательно, эффективность способа.
Целесообразно оценку напряженного состояния горных пород осуществлять через шаровые полости, созданные в разных местах породного массива и минимум в одном месте, где отсутствует влияние горных выработок. Это позволяет выявлять закономерности влияния характера ведения горных работ на изменение состояния породного массива, что повышает эффективность способа.
Задача решается также тем, что в устройстве для оценки напряженного состояния горных пород, включающем измерительную систему с датчиками силы и регистратор, согласно техническому решению измерительная система выполнена в виде шара с радиальными отверстиями, расположенными в ортогональных плоскостях, проходящих через центр шара, при этом радиальные отверстия расположены под углом 120° относительно друг друга в каждой из указанных плоскостей, в эти отверстия вставлены стержни, датчики силы установлены между стержнями и дном этих отверстий, а в шаре выполнены каналы для вывода проводов от датчиков силы к регистратору.
Такое техническое решение позволяет осуществлять из одного места прямое измерение силы сжатия по трем направлениям в каждой из трех ортогональных плоскостей, проходящих через заданную точку, и таким образом получать данные, необходимые и достаточные для построения эллипсоида, отображающего пространственное распределение напряжений по направлениям. Для оценки напряженного состояния искусственных пород, например, бетона в плотинах, устройство закладывают непосредственно в массивы при их возведении. Для оценки напряженного состояния горных пород в естественном породном массиве устройство размещают в предварительно созданной шаровой полости и осуществляют его связь с горной породой через искусственную среду, например, поданный в шаровую полость отвердевающий и расширяющийся при отвердении раствор. Таким образом, повышается эффективность устройства за счет снижения трудоемкости его эксплуатации и повышается надежность его работы за счет упрощения конструкции.
Целесообразно внешнюю поверхность измерительной системы в виде шара покрыть тонким слоем эластичного материала. Это исключает попадание частиц вмещающей среды в возможные зазоры между стенками радиальных отверстий в шаре и стержнями измерительной системы и выпадение указанных стержней из этих отверстий, что повышает надежность его работы.
Целесообразно устройство снабдить трубой и узлом его центрирования в шаровой полости. Это снижает трудоемкость эксплуатации устройства при реализации способа оценки напряженного состояния горных пород с использованием шаровой полости, создаваемой через скважину, что повышает эффективность его работы.
Целесообразно трубу снабдить узлом для ее центрирования в скважине. Это увеличивает точность ориентирования устройства в пространстве и тем самым повышает эффективность его работы.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения способа оценки напряженного состояния горных пород и устройства для его осуществления и чертежами фиг. 1-3.
На фиг. 1 показано устройство для оценки напряженного состояния горных пород в искусственно возводимом массиве, разрез по одной из ортогональных плоскостей; на фиг. 2 - то же в естественном породном массиве; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.
Способ оценки напряженного состояния горных пород реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
Устройство (фиг. 1) для оценки напряженного состояния горных пород (далее - устройство), включает измерительную систему с датчиками 1 силы и регистратор (на фиг. не показан). Измерительная система выполнена в виде шара 2 с радиальными отверстиями 3 (далее - отверстия 3), расположенными в ортогональных плоскостях (на фиг. не показаны), проходящих через центр шара 2. Отверстия 3 расположены под углом 120° относительно друг друга в каждой из указанных плоскостей. В отверстия 3 вставлены стержни 4. Датчики 1 силы установлены между стержнями 4 и дном отверстий 3. В шаре 2 выполнены каналы 5 для вывода проводов 6 от датчиков 1 силы к регистратору. На выходе из шара 2 провода 6 объединены в жгут 7. Внешняя поверхность шара 2 покрыта тонким слоем эластичного материала (на фиг. не показан). В породном массиве проходят скважину 8 (фиг. 2) и через нее создают шаровую полость 9 (далее - полость 9), которую заполняют раствором 10, отвердевающим и расширяющимся при отвердении (далее - раствор 10). Используют раствор 10, который с учетом объема полости 9, размеров устройства и механических свойств горной породы, не разрывает породный массив. Устройство устанавливают в центре полости 9 (фиг. 2, 3), для чего оно снабжено трубой 11 и узлом его центрирования в полости 9, а труба 11 снабжена узлом для ее центрирования в скважине 8. Узел центрирования устройства в полости 9 выполнен из двух круглых упругих колец 12 (далее - кольцо 12), вставленных одно в другое под прямым углом и расположенных в плоскостях, проходящих через центр шара 2. Кольца 12 в местах их пересечения скреплены снизу заклепкой 13, а сверху - втулкой 14 с кольцевым выступом 15, которой труба 11 скреплена с шаром 2. Узел для центрирования трубы 11 в скважине 8 представляет собой втулку 16, в которой прорезаны продольные прорези (на фиг. 2 не показаны), а полосы 17 втулки 16 между прорезями изогнуты в виде образующих эллипсоида. Один конец втулки 16 скреплен с трубой 11, а второй конец втулки 16 выполнен с возможностью продольного перемещения по трубе 11. После установки устройства для реализации способа скважину 8 заполняют раствором 10. Распределение напряжений определяют в трех ортогональных плоскостях, проходящих через центр полости 9. Представляют распределения напряжений на ортогональных плоскостях в виде эллипсов, по которым, как по трем проекциям на ортогональные плоскости, строят эллипсоид. Напряженное состояние горных пород оценивают по ориентациям и численным значениям полуосей эллипсоида. Оценку напряженного состояния горных пород осуществляют через полости 9, созданные в разных местах породного массива и минимум в одном месте, где отсутствует влияние горных выработок, после чего выявляют закономерности влияния характера ведения горных работ на изменение состояния породного массива.
Способ и устройство предполагают использовать для оценки напряженного состояния искусственных массивов, например, плотин, и горных пород в естественных условиях залегания. В первом случае шар 2 (фиг. 1) закладывают в искусственный массив при его возведении и устройство сразу способно выдавать информацию о количественных значениях напряжений по направлениям и их дальнейших изменениях. Для оценки напряженного состояния горных пород в естественных условиях залегания устройство снабжают трубой 11 (фиг. 2), узлами его центрирования в полости 9 и скважине 8 и выполняют изложенные в предыдущем абзаце операции. Переход от силы, измеренной датчиком 1 силы, к напряжению осуществляют делением измеренной силы на площадь поперечного сечения стержня 4. Отметим, что датчик 1 силы для исключения влияния на него сил, не совпадающих с осью стержня 4, не контактирует с боковыми стенками отверстия 3. Предполагают использовать датчики 1 силы, выполненные с применением материала, электрическое сопротивление которого зависит от создаваемого на него давления. Показания датчиков 1 силы преобразуют в цифровую форму и вводят в компьютерную систему, в которой информацию об определяемом эллипсоиде с помощью программы, например, стандартного графического редактора „AutoCAD", выводят на дисплей в удобной для принятия решений форме.