Способ определения напряжений в горных породах

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУЬЛИН

09 (И) цр Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ KOMHTKT СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OfÍÐÛÒÆ

ОПИСАНИЕ И306РЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОВО СВРВВТВНЬСТВН

ЙИЬАвР,: .„." з й;

6. =3,46

1 С 3М где

А. с„= a

8,- с,. ан Г-

С;-, - 1 „ (А.— (21) 3561279/22-03 (22) 10.03.83 (46) 30.08.84. Бюл. В 32 (72) Е.N. Тимофеев, А.Д. Денищенко и А.P. Кинзикеев (71) Государственный проектный институт горной химии (53) 622.35(088.8) (56) 1. Турчанинов И.А. и др. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок. Л., "Наука", 1978, с. 23-31.

2. Гупта Х. и др. Плотины и землетрясения. M., "Мир", 1979, с. 220224 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ГОРНИХ ПОРОДАХ, включающий определение направления трещин в прост» ранстве и измерение в них параметров водного потока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения трудоемкости измерений при одновременном увеличении базы измерений выбирают системы трещин, ограничивающие тектонические блоки и пересекающиеся с подземной полостью, определяют для каждой системы трещин зависимость водопоглощения и водоотдачи от времени, выделяют опорную систему трещин, характеризующуюся стабильными значениями водопоглощения и водоотдачи во времени, и определяют значения напряжений в массиве горных пород по формуле главные нормальные напряжения в массиве пород, МПа; эмпирический коэффициент, учитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин, см; коэффициент интенсивности напряжений, определяемый из соотношения максимальной амплитуды водопоглощения искомой системы трещин А.

1 к величине водопоглощения Q опорной системы трещин; эмпирический коэффициент, учитывающий влияние упругих деформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/ИПа; расход воды через искомую систему трещин на .фиксируемый момент времени, см /с; коэффициент вязкости воды, кгс с/см2; объемный вес воды, кгс/см ; мощность пласта пород между системами водопроводящих трещин, см; изменение напора воды при изменении степени раскрытия трещин, см; коэффициент Пуассона пород.

В;С,-, дм»

9; 1

В =3,46 рМ где

1 с,.=

3 1110

Изобретение относится к технике определения физических свойств пород путем измерения деформаций и может быть использовано, например, при подземной разработке полезных ископаемых, а также при инженерном обосновании

5 строительства гидротехнических сооружений (плотин).

В классе деформационных способов определения напряжений в массиве гор- ных пород известны две группы: микродеформационные, именуемые обычно тензометрическими или механическими, и макродеформационные 1.13.

База измерения способами первой группы исчисляется обычно сантиметрами, база измерений способами второй группы составляет от 0,5 м до многих километров. Все деформационные способы основаны на измерении деформаций горных пород и последующем вычислении напряжений по измеренным деформациям с помощью аналитического аппарата механики, который применительно к макродеформационным способам разработан еще недостаточно четко.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения напряжений в горных породах, включающий определение направления трещин в пространстве и измерение в них параметров водного потока. При этом герметизируют участок скважины и нагнетают в „него воду под давлением до резкого падения давления, соответствующего моменту гид- 35 равлического разрыва стенок скважины.

По величине давления до и после разрыва и по ориентации образовавшейся трещины определяют величину и направление минимального главного нормаль- 40 ного напряжения 52l. .Однако данный способ трудоемок, требует применения специального дорогостоящего оборудования и может применяться только на небольших базах 4> измерений.

Цель изобретения — увеличение базы измерений и снижение трудоемкости.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения напряжений в горных породах, включа-.. ющему определение направления трещин в пространстве и измерение в них параметров одного потока, выбирают системы трещин, ограничивающие тектонические блоки горных пород и пересекающиеся с подземной полостью, определяют для каждой из систем тре899 2 щин зависимость водопоглощения и водоотдачи от времени, выделяют опорную систему трещин, характеризующуюся стабильными значениями параметров водопоглощения и водоотдачи во времени, и определяют значения напряжения в массиве по формуле — главные нормальные напряжения в массиве пород, MIIa;

8; — эмпирически коэффициент, учитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин, см;

С; — коэффициент интенсивности напряжений, определяемый из

-соотношения максимальной амплитуды водопоглощения искомой системы трещин А к ве1 личине водопоглощения Я опорной системы трещин;

Ф вЂ” эмпирический коэффициент, учитывающий влияние упругих деформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/ИПа;

8; — расход воды через искомую систему трещин на фиксируемый момент времени, смз /с;

1 — коэффициент вязкости воды, кгс с/см (величина постоянная для воды, имеющей определенную температуру и минерализацию); .г — объемный вес воды, кгс/см (величина постоянная);

M — - мощность пласта пород между системами водопроводящих трещин, см; аК вЂ” изменение напора воды при из менении степени раскрытия трещин, см; » — коэффициент Пуассона пород (величииа безразмерная, постоянная для данного типа пород).

Расчетный аппарат величин напряжений по вышеуказанным формулам справедлив для условий ллоского напряжениогo состояния, т.е, для условий

0899

f0

3 11t поверхности массива и для границы массива с подземной полостью. Определение касательных напряжений и полного тензора напряжений в массиве осуществляют с использованием полученных выше величин глав ных напряжений по.методике /f3.

Выбор изучаемого массива горных пород с таким расчетом, чтобы системы водопроводящих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, пересекались с подземной полостью, позволяет по изменению параметров жидкой фазы в трещинах судить об изменении деформации горных пород при различных режимах напряжений. Другие типы трещин, например трещины выветривания, развитые на поверхности массива, являются замкнутыми и не отводят поверхностные воды в глубину массива. Поэтому при выборе водопроводящих трещин необходимо обращать внимание на их выдержанность по глубине.

Трещинами, удовлетворяющими указанным требованиям, являются те, которые ограничивают тектонические блоки.

Под влиянием напряжений в массиве пород происходит деформация стенок трещин, изменяются параметры трещиноватости, водопоглощения, водоотдачи и водопроводимости пород. При этом в наибольшей степени деформируются стенки вертикальных, субвертикальных и горизонтальных трещин. Эти системы трещин являются главными и ограничивают блоки горных пород в пространстве. Выбор систем трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, позволяет тем самым при измерениях параметров жидкой фазы, фильтрующейся через эти системы, обеспечить уве-. личение базы измерений напряжений до

:десятков и сотен метров в зависимости от степени тектонической блочности того или иного- участка. Измерение параметров водного потока на его входе (водопоглощение) и выходе (водоотдача), т.е. в верхней и нижней частях массива, позволяют судить об изменениях термадинамических условий пород в ненарушенной природной обстановке, когда полностью в неизменном виде сохраняются природные систе-. мы водопроводящих трещин на всем их протяжении " от поверхности земли до подземной полости. Предлагаемая операция измерения параметров жидкой фазы горных пород периодически синхронно ла входе потока в трещины и

55 на его выходе в подземную полость дает возможность одновременно зафиксировать относительное раскрытие водопроводящих трещин в различных частях массива, находящегося в сложном природном поле напряжений. При изменении величины.геостатических (от веса вышележащих пород) или тектонических горизонтальных напряжений породы реагируют на деформацию относительным раскрытием трещин. При этом, соответственно, изменяются водопоглощение и водоотдача пород, а также дебиты потоков в трещинах.

Преобладание в породах сжимающих напряжений приводит к уменьшению раскрытия трещин на поверхности массива и, соответственно, к снижению величины водопоглощения. В это время внутри массива на выходе водного потока из трещин в подземную полость происходит скачкообразное увеличение дебитов воды (водоотдачи). При определенной величине сжимающих напряжений, которая составляет 5-20Х от предела прочности пород на одноосное сжатие, жидкая фаза мигрирует из более напряженных участков массива в зоны пониженных напряжений, где преобладают растягивающие напряжения.

Следовательно, резкие изменения различных параметров жидкой фазы, фильтрующейся по трещинам вдоль границ тектонических блоков, являются показателями вариаций природных напряжений в массивах горных пород. Изменения.параметров водного потока, в частности водопоглощения и водоотдачи, во времени для различных участков массива позволяют судить о распределении поля напряжений в пространстве.

В результате измерений получают эмпирические зависимости (графики, кривые) параметров для каждой из систем водопроводящих трещин во времени. Путем анализа полученных зависимостей выделяют опорную систему трещин, для которой-изменения параметров водного потока во,времени не превышают 107. от средних значений. Сравнивая отклонения полученных зависимостей относительно параметров опорной системы трещин на какой-то момент времени, судят о степени раскрытия водопроводящих систем трещин, после чего определяют пространственное поле напря- . жений массива ° Изменения степени раскрытия трещин по сравнению с опорной системой трещин дают возможность

° H„y

;= 3,46 1 см уМ где

Ф 11108 определить направление и знак напряжений, действующих на определенно ориентированную в пространстве систему трещин или массив в целом, и тем самым позволяют определить пространственное поле напряжений и их изменения во времени.

Предлагаемый способ определения напряжений в горных породах испытан на геодинамическом полигоне в карсто- 1р вой пещере Новомурадымовская Кугарчин" ского района Башкирской АССР.

Пример. Выбирают массив обводненных известняков общей площадью

2000 м, в котором водопровсщящие трещины, ограничивающие тектонические блоки пород и поглощающие воду ручья на поверхности массива, ортогональны и пересекаются на глубине 80-100м массива с подземной пещерной полостьюу о куда осуществляется разгрузка поглощаемых вод. Замеряют также мощность пласта пород между системами трещин.

Затем с помощью горного компаса на выбранных взаимноортогональных систе- 5 мах водоцроводящих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, определяют их ориентировку в пространстве. После выбора массива и определения ориентировки трещин на границах между блоками пород, а также в глубине массива на выходе потока из последних в подземную пещерную полость устанавливают комплекс измерительных приборов для регистрации дебитов,. температуры и других,парамет35 ров потока. На входе водного потока в трещины замеряют его параметры с помощью трех незатопленных водосливов объемным способом, а на выходе

40 потока в подземную полость — с помощью специальной аппаратуры и приборов (барометра, психометра и др.), фиксируют дебит, объем фильтрующейся жидкости, давление и влажность воздуха, а также определяют химичес45 кий состав фильтрующихся вод. Параметры водного потока, в частности, водопоглощение и водоотдачу, замеряют синхронно Hà его входе в трещины и на выходе из них через каждые 2 ч в течение нескольких циклов, по 4-5 дней в каждом цикле. Зарегистрированные в начале каждого цикла наблюдений параметры водного потока прини-. мают sa начальные. По полученным дан->>

i ным строят графики зависимости деби- тов, химического состава и других параметров фильтрующейся воды от вре99 6 мени. При анализе дебитов воды определяют изменения объема отдельных капель и их химического состава, а также рН воды, содержания ионов кальция, гидрокарбоната магния. Затем по графикам анализируют отклонения параметров водного потока от начальных значений Й устанавливают законо.мерности изменения параметров во времени для различных частей массива.

Построенные графики зависимости параметров от времени показывают, что вариации параметров водного потока, в частности водопоглощения и водоотдачи, во времени на его входе и выходе из трещин имеют -характер сложных квазигармонических кривых,,имеющих несколько внутрисуточных минимумов и максимумов, что свидетельствует о периодическом характере изменения напряжений в массиве:пород. Сравнение зависимостей параметров водного потока во времени для различных систем трещин с опорной системой трещин позволяет выявить относительное раскрытие сравниваемых систем трещин и рассчитать эмпирический коэффициент В, уиитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин по нижеследующей формуле

Я вЂ” расход через систему трещин на фиксируемый момент, времени, см /с;. — коэффициент вязкости воды, кгс-с/см2; — объемный вес воды, кгс/см";

М - мощность пласта пород между системами водопроводящих трещин, см.

Зная из графиков зависимость параметров водного потока от времени, определяют амплитуду максимального водопоглощения А искомой системы

1 трещин и величину водопоглощения опорной системы трещин. Затем вычисляют коэффициент интенсивности напряжений С„ как отношение амплитуды максимального водопоглощення А, 1 искомой системы трещин к величине водопоглощения Й опорной системы трещин. Получив значения коэффициентов В; н С;, вычисляют значения главных нормальных напряжений в мас I сиве горных пород по формуле

1110899 8 щении гравитационного поля земли.

Так, например, в вертикальном направлении знак напряжений в течение суток изменяет на противоположный, в связи с чем происходит асинхронное

5 изменение параметров водного потока на входе и выходе из трещин в массиве пород. Если в верхней части массива преобладают растягивающие напряжения и степень раскрытия трещин увеличивается, то в нижней его части вследствие преобладания сжимающих напряжений уменьшается раскрытие трещин и водопоглощение. В горизонтальной плоскости блоки, ограниченные системами водопроводящих вертикальных трещин, также испытывают напряжения различных знаков, что отражается на величинах водопоглощения.

В отдельные периоды времени в результате преобладания вертикальных сжимающих.,напряжений водопоглощение в систему горизонтальных пластовых трещин полнбстью прекращается и в течение 6 ч из вертикальной системы трещин происходит самоизлив воды на поверхность земли. Одновременно в соседенем блоке пород резко возрастают величины водопоглощения в трещины.

В последнем случае наибольшее глав30 ное нормальное напряжение параллельно плоскости пластов известняков и является растягивающим. В связи с этим вертикальные тектонические трещины, перпендикулярные напластованию, отводят воду в пластовые трещины, которые в этот кериод получают наибольшее раскрытие. Таким образом, выполненные измерения и исследования позволяют выявить знак направления наибольших и наименьших главных нормальных напряжений, закономерное изменение поля напряжений во времени на отдельных участках массива, что дает возможность оценить динамику естественного (природного) ноля напряжений в неоднородно построенном массиве пород при базе измерения напряжений от нескольких десятков до сотен метров .

Эти же системы трещин расположены ближе к пещере и имеют более высокие З параметры водопроводимости. Получек. ные данные свидетельствуют о том, что вблизи пещеры преобладают растягивающие напряжения. Раскрытие трещин вследствие изменения поля напряжений влияет и на колебания параметров химического состава воды и ее минерализацию во времени. Колебания этих параметров во времени также имеют сложный характер и:при необходимости можно получить эмпирические зависи- . мости от их графиков зависимости химического состава (минерализации) во времени к графикам водопоглощения .и водоот) ачи. По системам трещин, в наибольшей степени реагировавшим на деформации пород, анализируют пространственное поле напряжений и изменения этих напряжений во времени

Как показывают результаты испытаний, изменения параметров водного потока зависят, в основном, от вариаций напряжений в массиве пород при возму55 где Q,. — главные нормальные напряжения в массиве пород, ИПа (кгс/см ); с — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние упругих деформаций пород на изменение пустотности нри создании избыточных давлений воды в трещинах, см/ИПа (изменяется от 0,01 до 1,0);

bH — изменение напора при изменении степени раскрытия трещин, см, определяется в процессе проведения опы— та

У

1ы. — коэффициент Пуассона пород (величина постоянная для данного типа пород).

Результаты определений и вычислекий для всех выделенных систем трещин приведены в таблице.

Как видно иэ таблицы, за исключением оперяющих трещин системы трещин 5 и 4 на поверхности массива характеризуются большими значениями напряжений и более высокими коэффициентами относительного раскрытия трещин В;.

Испытания показывают, что по сравнению с известными предлагаемый способ определения напряжений в горных породах позволяет при увеличении в 30-50 раэ базы измерения напряжений снизить трудозатраты в 10-15 раз за счет сокращения таких вспомогательных и трудоемких операций, как

1110899 монтаж и демонтаж бурового и другого оборудования, бурение скважин, подготовка скважин к измерениям, прокладка специального кабеля и электросетей и т.д. Сравнительная простота расчетного аппарата, возможность поГлавные напряжения, ХПа Q Система трещин, В !

Коэффициент, 1,0 (оперяющая) 0,01

1,00

1,01

4,0

1,01

0,01

1,05 (в подземной полости) 8,0

1,02

0,01

1, 10

0,8 (оперяющая) 1,01

0 05

1,05

3,0

1,10

0,05

1,25 (в подземной полости) 7,0

0,05

1,15

1,50

0,5 (оперяющая) 1,05

0,10

1,10

О, 10

2,5

1,25

1,50

О, 10 (на поверхности массива) 5,0

1,50

2,00

1,0 (оперяющая) 1,00

0,5

1,50

1,30

3,50

4,4

0,5 (на поверхности массива) 8,4

6,00

1,80

0,5

1,00

1, 0 (оперяющая) 2,0

1,0

4,0

6,0

2,00

1,0 (на поверхности массива) 11,0

8,0

1,0

3,00

Составитель С. Потапов

Редактор Н. Киштулинец Техред С.Иигунова Корректор Г. Решетник

Заказ 6284/26 Тираж 563 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Коэффициент

В., см

Коэффициент

d" см/ИПа лучения количественных данных о поле напряжений массивов без наведения в них искусственного поля деформаций также являются существенными преиму5 ществами предлагаемого способа по сравнению с известными.