СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD TO ASSESS STRESSED CONDITION OF ROCKS

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для оценки напряженного состояния горных пород в породном массиве.
Известен способ определения напряженного состояния горных пород по авт. свид. СССР №1209863, кл. Е21С 39/00, опубл. в БИ №5, 1986 г., включающий образование и герметизацию камеры в скважине, пробуренной на исследуемом участке, нагнетание в камеру жидкости до критического давления, приводящего к гидроразрыву пород, и определение ориентации плоскости гидроразрыва. Величину минимальной составляющей поля напряжений определяют по величине критического давления, а ее направление принимают соответствующим нормали к плоскости гидроразрыва. При этом камеру образуют сферической формы, измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва, определяют их соотношение, по которому судят об отношении максимальной и средней компонент поля напряжений.
Этот способ сложен в реализации из-за необходимости определения геометрических параметров гидроразрыва внутри непрозрачной среды. Кроме того, создание в массиве абразивных горных пород камеры сферической формы без концентраторов напряжений (полос на внутренней поверхности камеры), существенно влияющих на ориентацию плоскости гидроразрыва, представляет известные технические трудности.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является 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, при этом оценку напряженного состояния горных пород проводят по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую скважину.
В этом способе оценку напряженного состояния горных пород проводят по их относительным прочностным характеристикам в нагруженном и разгруженном состоянии без учета структурных особенностей породного массива в зоне измерения. Параметры нагнетания пластичного вещества обусловлены напряженным состоянием горных пород в малой области, непосредственно примыкающей к поверхности контакта формируемой трещины и пластичного вещества. Способ сравнительно трудоемок из-за необходимости периодической подачи в формируемые трещины пластичного вещества на всем протяжении слежения за состоянием породного массива. Поэтому этот способ обладает относительно низкой эффективностью.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости его реализации, уменьшения влияния структуры массива на результат измерения и расширения области сбора информации о состоянии горных пород.
Задача решается тем, что в способе оценки напряженного состояния горных пород, включающем бурение скважины, формирование щели разрывом горной породы пластичным веществом в заданной плоскости, согласно предлагаемому техническому решению первоначально щель формируют пластичным веществом, электрическое сопротивление которого зависит от давления, а затем в щель из места, равноудаленного от ее границ, нагнетают пластичное вещество с диэлектрическими свойствами, создавая из первоначально нагнетаемого пластичного вещества кольцо, которое используют для приема электромагнитных и упругих волн от образования в горных породах трещин, при этом оценку напряженного состояния горных пород осуществляют по параметрам принимаемых волн.
Способ основан на использовании сочетания технологии управляемого разрыва горных пород пластичными веществами, обеспечивающей возможность формирования в породном массиве ориентированной щели с размещением в ней пластичного вещества с заданными электрическими свойствами в виде кольца с центром в месте нагнетания, и эффекта излучения трещинами электромагнитной и упругой энергии во время их образования. Отметим, что под щелью следует понимать раскрытую трещину, поверхности которой не контактируют между собой. Благодаря указанной технологии в породный массив можно через скважину внедрить кольцо с заданной ориентацией из вещества, электрическое сопротивление которого зависит от давления. Такое кольцо, обладая электрической проводимостью, способно принимать электромагнитные волны и из-за зависимости его электрического сопротивления от давления может принимать и упругие волны. При этом известно, что кольцо имеет направленность приема, особенно четко выраженную для соизмеримых с его размерами длин волн, что снижает влияние структуры массива на результат измерения, так как существенно ограничивает прием отраженных от неоднородностей волн. Способность трещин излучать упругие и электромагнитные волны позволяет по зависимостям характера их зарождения и развития от напряженно-деформированного состояния породного массива оценивать напряженное состояние горных пород. В отличие от прототипа здесь при прохождении волн от трещин к кольцу охватывается больший объем горной породы по сравнению с областью, непосредственно примыкающей к поверхностям формируемой щели, что расширяет область сбора информации об ее состоянии. После создания кольца требуемых размеров пластичное вещество в зону разрыва больше не подают, от чего снижается трудоемкость его реализации (в сравнении с прототипом). Таким образом, повышается эффективность способа за счет снижения трудоемкости его реализации, уменьшения влияния структуры породного массива на результат измерения и расширения области сбора информации о состоянии горных пород.
Целесообразно в породном массиве дополнительно создавать кольца до образования в нем трех колец, ориентированных под углом 120° относительно друг друга. Это обеспечивает определение ориентации плоскости, в которой трещины образуются наиболее интенсивно, что повышает достоверность оценки напряженного состояния горных пород и, следовательно, эффективность способа.
Целесообразно при этом создание указанных колец осуществлять из одной скважины на различных ее уровнях. Это снижает трудоемкость создания трех колец из-за исключения необходимости бурения трех скважин, что также повышает эффективность способа.
Целесообразно оценку напряженного состояния горных пород осуществлять по параметрам принимаемых волн от трещин, возникающих в известном месте техногенным воздействием на породный массив, например, в результате взрывов при проходке горных выработок. Это благодаря существенным различиям скоростей распространения электромагнитных и упругих волн в породном массиве позволяет без фиксации времени возникновения трещин определять скорость упругих волн, по которой, используя известные зависимости, оценивать напряженное состояние горных пород, что расширяет возможности и, следовательно, эффективность способа.
Сущность технического решения поясняется примером конкретной реализации и чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 показана схема реализации способа оценки напряженного состояния горных пород (далее - способ); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - схема реализации способа с тремя кольцами.
Способ реализуют следующим образом.
В породном массиве (поз. не обозначен) бурят скважину 1 и в ней формируют щель (на фиг. не показана) в заданной плоскости разрывом горной породы пластичным веществом, электрическое сопротивление которого зависит от давления. Затем в щель из места, равноудаленного от ее границ, нагнетают пластичное вещество с диэлектрическими свойствами. В результате в породном массиве создают кольцо 2 (фиг.1 и 2) из вещества, электрическое сопротивление которого зависит от давления. Кольцо 2 используют для приема электромагнитных и упругих волн от образования трещин в горных породах (на фиг.1 не показаны). Для этого в кольцо 2 вводят два расположенных диаметрально противоположно электрода 3 и 4, которые через коаксиальный кабель 5 подсоединяют к системе (на фиг.1 не показана) приема и регистрации электромагнитных и упругих волн. Оценку напряженного состояния горных пород осуществляют по параметрам принимаемых волн. Для определения интенсивности образования трещин в плоскостях с различной ориентацией в породном массиве дополнительно создают кольца до образования в нем трех колец 2, (фиг.3), ориентированных под углом 120° относительно друг друга. Осуществляют это из одной скважины 1 на различных ее уровнях. Отметим, что при создании из одной скважины 1 трех колец 2 коаксиальные кабели 5 от них объединяют в один кабель 6 (фиг.3). Оценку напряженного состояния горных пород осуществлять также по параметрам принимаемых волн от трещин, возникающих в известном месте техногенным воздействием на породный массив, например, в результате взрывов при проходке горных выработок.
Известно, что в горной породе при изменении ее напряженного состояния возникают трещины, излучающие электромагнитные и упругие волны. С приближением напряжений к предельным прочностным значениям горной породы из-за интенсивного объединения мелких трещин в более крупные проявляются характерные изменения в спектрах как электромагнитных, так и упругих волн. Используя эти закономерности, предлагаемый способ позволяет фиксировать ситуацию, предшествующую потере устойчивости горных выработок, когда значения напряжений в породном массиве достигают предела прочности горных пород. Благодаря совместному использованию критериев оценки напряженного состояния горных пород по излучению трещинами электромагнитных и упругих волн достоверность способа существенно возрастает.
Диаграмма направленности кольца 2 зависит от частоты принимаемых волн. Для упругих волн, длина (например, при частоте 5 кГц) которых может быть соизмерима с размерами кольца 2 (например, диаметром в один метр) диаграмма направленности имеет форму восьмерки. Учитывая оценочный характер способа и относительно широкий спектр частот упругого импульса от образующейся трещины, диаграмму направленности кольца 2 в первом приближении можно принять эллиптической. При этом большая ось эллипса оказывается перпендикулярной плоскости кольца 2, а малая ось эллипса - лежащей в плоскости кольца 2. Для таких условий получена формула, позволяющая по сигналам от трех колец 2, 7 и 8, расположенных под углом 120° относительно друг друга, определять угол между плоскостью расположения первого кольца 2 и направлением, в котором образовалась трещина. Она имеет вид:
где λ - угол между плоскостью расположения первого кольца 2 и направлением, в котором образовалась трещина;
1
2
3
U, U, U - максимальные значения сигналов с каждого кольца 2 соответственно.
Отметим, что при использовании формулы (1) предусматривается образование трех идентичных каналов приема электромагнитных и упругих волн. Для этого три кольца 2 создают фиксированными объемами пластичных веществ, полученных одноразовым приготовлением. Кроме этого, подстраивают коэффициенты усиления принимаемых сигналов таким образом, чтобы от источника упругих волн с известными параметрами и местоположением расчет по формуле (1) не превышал допустимых погрешностей.
Известно, что трещины образуются преимущественно в плоскости минимальных и в направлении максимальных сжимающих напряжений. Поэтому по плоскости, в которой преимущественно образуются трещины, можно оценивать направление одной (минимальной) компоненты главного напряжения в породном массиве. Отметим, что для выявления плоскости, в которой трещины образуются наиболее интенсивно, определение направления прихода волн от трещин осуществляют из нескольких мест.
уп
Известно, что существует функциональная связь между напряженным состоянием горной породы и скоростью распространения в ней упругих волн. В предлагаемом способе эту связь используют для оценки напряженного состояния горных пород при образовании трещин в известном месте, например в области, примыкающей к забою выработки, проходимой взрывным способом. Скорость ν упругой волны определяют по формуле
где l - расстояние от места возникновения трещины до кольца 2;
уп
t - время прохождения расстояния l упругими волнами.
уп
За время t принимают разность времени прихода к кольцу 2 упругой и электромагнитных волн. Это из-за того, что скорость распространения электромагнитной волны на несколько порядков больше скорости упругой волны, не приводит к погрешности, превышающей доли процента, что практически вполне допустимо. Благодаря этому отпадает необходимость фиксации времени зарождения трещин в местах их образования. Отметим, что при разрушении горных пород (образовании трещин) взрывным способом образуются также ударные волны, имеющие большие скорости распространения и явно выделяющиеся на фоне фиксируемой упругой энергии. Эти волны при анализе поступающей от трещин информации исключают из рассмотрения.
Главной операцией предлагаемого способа является создание в породном массиве кольца 2 по разработанной для таких целей технологии, основанной на результатах исследований разрыва хрупкой среды пластичными веществами и взаимодействия между собой пластичных веществ с различными свойствами в формируемых ими щелях. Согласно этой технологии в стенках скважины 1 в плоскости предполагаемого расположения кольца 2 прорезают продольные инициирующие щели, например, треугольного поперечного сечения, которыми задают ориентацию проводимого в дальнейшем разрыва горной породы. Затем скважину 1 заполняют смесью графитового порошка и связующего его компонента, например эпоксидной смолы с отвердителем и пластификатором, воска с добавлением растворяющего его масла, герметика и т.д. Такая смесь благодаря электропроводящему графитовому порошку и диэлектрическим свойствам связующего его компонента оказывается полупроводящей для электрического тока и изменяющей электрическое сопротивление при изменении в ней давления. Диапазон давления, при котором смесь изменяет электрическое сопротивление, зависит от относительного количества графитового порошка и вида связующего его компонента. Например, смесь графитового порошка (60%), воска (35%) и машинного масла обеспечивает прием упругих колебаний при изменении давления в диапазоне 10÷40 МПа. После заполнения скважины 1 указанной смесью давление в ней повышают до давления разрыва горной породы и вытесняют смесь в образующуюся щель, которая возникает и развивается в плоскости инициирующих щелей, выполняющих роль концентраторов напряжений. В результате в породном массиве образуется симметричная скважине 1 и ориентированная в плоскости расположения инициирующих щелей щель, заполненная указанной смесью. Такую щель можно использовать в качестве микрофона для приема упругих волн. Однако, если через нее начать пропускать ток аналогично тому, как через кольцо 2 от электрода 3 к электроду 4 (фиг.1), то подавляющая часть тока пройдет через область, прилегающую к скважине 1 (по пути наименьшего сопротивления), и в этом случае осуществлять направленный прием упругих волн практически не представляется возможным. Для обеспечения направленности приема упругих волн после образования щели из места, равноудаленного от ее границ, нагнетают пластичное вещество 7 с диэлектрическими свойствами, например воск, пластилин, глину с добавлением машинного масла и т.д., которое вытесняет из центральной части щели ранее поданную смесь с образованием кольца 2.
Реализацию способа предполагается осуществлять с использованием комплекса известного оборудования, созданного для разрушения горных пород пластичными веществами способами ориентированного разрыва, и стандартных измерительно-вычислительных комплектов по регистрации и обработке электрических сигналов.
Способ позволяют проводить диагностику породного массива по характеру возникающих в нем трещин естественного и искусственного происхождения.