Способ определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу и позволяет с высокой точностью определять деформационные свойства междукамерных целиков, образующихся при применении геотехнологических методов добычи . Изготовленную из натурного ма.териала цилиндрическую модель (U,M) 2 устанавливают в давильную камеру (К) 1. Затем полости К 1, дополнительной К 6 и связанной с ней посредством паза 10 и сквозного отверстия 9 компенсационной К 5 заполняют рабочей жидкостью (РЖ). Производят нагружение ЦМ 2 до напряженного состояния нетронутого массива на исследуемой глубине . По верхнему торцу ЦМ 2 создают нагрузку при помощи поршня 3, а по нижнему торцу - с помощью втулки 15 и дав

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„ЯЦ„„ 1270330

cd) 4 Е 21 С 39/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2!) 3916363/22-03 (22) 21.06.85 (46) 15.11.86. Бюл. 5& 42 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт галургии (72) А. В. Кубланов, В. С. Романов, В. А. Симонов и С. В. Радзивиллович (53) 622.289 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 848689, кл. Е 2! F 5/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 1048116, кл. Е 21 С 39/00, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕЖДУКАМЕРНЫХ ЦЕЛИКОВ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горному делу и позволяет с высокой точностью определять деформационные свойства междукамерных целиков, образующихся при применении геотехнологических методов добычи. Изготовленную из натурного материала цилиндрическую модель (ЦМ) 2 устанавливают в давильную камеру (К) 1. Затем полости К 1, дополнительной К 6 и связанной с ней посредством паза 10 и сквозного отверстия 9 компенсационной К 5 заполняют рабочей жидкостью (РЖ). Производят нагружение ЦМ 2 до напряженного состояния нетронутого массива на исследуемой глубине. По верхнему торцу ЦМ 2 создают нагрузку при помощи поршня 3, а по нижнему торцу — с помощью втулки 15 и дав- Я

1270330

Зо

40 ления РЖ, находящейся в К 5. Затем, выпуская избыточное давление РЖ из К, 5 через клапан 1 при замкнутом штуцере 7

К 6, понижают давление РЖ по нижнему торцу ЦМ 2 по площади моделируемой выработки до величины Рпон= Рд карает/" п, где Pa — действующая вертикальная нагрузка; МПа; gapa--, у. — объемный вес растворителя и пород, т/м . Под нагрузкой ЦМ 2 выдерживают в течение 30 ч и повышают давление до величины Pnoa= Рд аспас раст./уп, МПа; где у ..pac — объемный вес насыщенного

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при изучении устойчивости горных выработок и деформационных свойств междукамерных целиков, образующихся при применении геотехнологических методов добычи.

Цель изобретения — повышение точности.

На фиг. 1 схематически показано устройство для определения деформационных свойств междукамерных целиков, методом моделирования; на фиг. 2 — кривая деформирования модели; на фиг. 3 — кривая ползучести модели.

Устройство содержит корпус (не показан), размещенные в нем давильную камеру 1 для модели 2 с поршнем 3 и штуцером 4, компенсационную камеру 5, дополнительную камеру 6 с штуцером 7, режущий инструмент 8 с осевым отверстием 9 и пазом !О, размещенный в камерах 5 и 6, выпускной клапан 11, установленный в камере

5, и привод режущего инструмента 8, включающий установленную с возможностью осевого перемещения втулку 12 с рукояткой

13 и средством (не показано) вращения хвостовика !4. В основании давильной камеры 1 выполнено отверстие, в котором установлена втулка 15.

Работа устройства при реализации способа определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования осуществляется следующим образом.

Модель 2 изготавливают из керна вскрывающих скважин, взятого с глубины разрабатываемого пласта. Размеры моделей выбирают с сохранением таких же безразмерных соотношений, что и в натуре, где отношение диаметра камеры к стороне сетки бурения скважин d/1= 0,3 — 0,7. Для исключения влияния масштабного фактора на результаты исследований отношение высоты модели 2 к ее диаметру принимают равным 2. Изготовленную модель цилиндрической формы устанавливают в давильную камеру 1. Заполняют рабочей жидкостью, раствора, т/м . Одновременно с помощью режущего инструмента 8 и втулки !2 формируют моделируемую выработку в ЦМ 2.

По мере проходки на забой и стенки выработки создается давление РЖ, проходящей из

К 6 через паз 10 и отверстие 9 в инструменте 8. В процессе выдержки ЦМ 2 с выработкой под нагрузкой измеряют деформации модели, по которым определяют деформационные свойства целиков. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

2 например компрессорным маслом, полость давильной камеры 1. путем подачи жидкости через штуцер 4 и полость камеры 6— через штуцер 7. Связь между камерами 5 и 6 осуществляется посредством паза !О и сквозного отверстия 9. Затем производят нагружение модели 2 до напряженного состояния нетронутого массива на исследуемой глубине. При этом равномерно распределенную осевую нагрузку по верхнему торцу модели 2 создают при помощи поршня

3, а нагрузку по нижней торцовой поверхности задают с помощью втулки !5 и давления рабочей жидкости. Давление втулки

15 осуществляют по области, ограниченной с одной стороны боковой поверхностью модели 2, а с другой — — предполагаемой проекцией контура моделируемой выработки, по которой давление создают рабочей жидкостью, находящейся в компенсационной камере 5, под давлением, равным давлению, создаваемому поршнем 3. Боковое давление на поверхность модели 2 создают давлением масла, изолируя предварительно боковую поверхность модели 2 эластичной

«рубашкой». Величину бокового давления поддерживают таким, чтобы поперечные деформации модели вп== О. Фиксацию поперечных деформаций осугцествляют при помощи тензодатчиков, наклеенных на боковую поверхность модели 2. Появившиеся поперечные деформации модели 2 во время проведения эксперимента компенсируют повышением давления масла. В модели создается трехосное напряженное состояние, при котором о| — — упМ, а о2с= оз= ХупН. где уп средний обьемный вес пород покрываюгцей толщи; Н вЂ” глубина залегания; ). — коэффициент бокового распора.

Модели 2 выдерживают под нагрузкой в течение 3--6 ч для восстановления «памяти» горных пород на действовавшие ранее в массиве напряжения. По мере нагружения снимают замеры вертикальных деформаций модели. На основании полученных результатов строят кривую деформирования

1 з изучаемого материала. На кривой деформирования (фиг. 2) имеется точка перегиба, которой соответствует величина деформации, имевшая место в нетронутом массиве горных пород. По этой точке определяют относительную деформацию е" материала.

Затем понижают давление рабочей жидкости по нижнему торцу модели 2 по площади моделируемой выработки, создавая тем самым в модели 2 подобие проходки вскры вающей скважины и образования подготовительной выработки в натурных условиях.

Снижение давления осуществляют путем выпуска избыточного давления рабочей жидкости из компенсационной камеры 5 через выпускной клапан 11, при этом входной штуцер 7 камеры 6 закрыт. Учитывая, что в натурных условиях после вскрытия пласта скважиной для получения кондиционного рассола необходимо размыть подготовительную выработку достаточно большой площади обнажения в сжатые сроки, подачу в скважину растворителя осуществляют с максимальной производительностью с целью увеличения скорости растворения полезного ископаемого, например соли. На этом этапе подготовительного размыва часть пласта соли, находящегося под нагрузкой P..=

=у„Н, переходит из твердого состояния в жидкое, образуя при этом подготовительную выработку, заполненную раствором с плотностью и концентрацией близкой к плотности подаваемого в скважину растворителя (в данном случае воды). Давление в подготовительной выработке, заполненной неконцентрированным раствором. определяется весом столба раствора до поверхности. Исходя из этого величину понижения давления (МПа) рабочей жидкости в модели

2 по площади моделируемой выработки определяют по формуле карает

Paoa.= Ра

7 где Pa — действующая вертикальная нагрузка, МПа;

gpacx — объемный вес растворителя, т/м ; у„— средний объемный вес пород покрывающей толщи, т/м .

После создания пониженного давления рабочей жидкости модель 2 выдерживают под нагрузкой в течение 30 ч. Это время необходимо для проявления исследуемым материалом порядка 90 — 95О упругопластических деформаций, вызванных уменьшением давления рабочей жидкости.

Образование подготовительной выработки в натурных условиях является моментом перехода с подготовительного размыва на эксплуатационный режим размыва камеры с образованием внутри формируемой камеры насыщенного раствора с максимальными концентрацией и плотностью. Поэтому в модели 2 повышают давление рабочей жидко270330

g и а с. р а а т

P-.= P., ï.(2) насыщенного

Qh = h е (1) +

45 сти по нижнему торцу модели по площади моделируемой выработки. Для этого закрывают выпускной клапан 11 и через входной штуцер 7 удают рабочую жидкость под давлением (МПа) величина которого определяется по формуле где у-..p--- — объемный вес раствора, т/м .

Одновременно с повышением давления осуществляют проходку моделируемой выработки: приводят во вращательное движение (с помощью электродвигателя) режущий инструмент 8 режущим органом (не показан) вертикальную подачу производят вручную, при помощи втулки 12 с рукоятками 13.

Давление рабочей жидкости на забой и стенки моделируемой выработки создается при проходе рабочей жидкости из камеры

6 через паз 10, сквозное отверстие 9 в режущем инструменте 8 с полым режущим органом. Компенсационная камера 5 служит для накопления выносимого из моделируемой выработки штыба. Она выполнена таким образом, чтобы штыб не мог попать 8 камеру

6 и повлечь ее разгерметизацию. Проходку выработки осуществляют или сразу на всю высоту. или ступенями с выдержкой во времени в течение нескольких суток на каждой ступени При проходке выработки ступенями (моделирование мощной соляной залежи) снижают вертикальную осевую нагрузку, создаваемую поршнем 3 на величину, равную разнице между действующей нагрузкой, существовавшей до отработки пласта, и нагрузкой, установившейся при отработанной высоте ступени.

После проходки моделируемой выработки режущий инструмент 8 опускают в исходное положение и прекращают вращение.

По мере проходки моделируемой выработки, а также при дальнейших испытаниях модели 2 ведут измерения вертикальной деформации целика. Длительные испытания моделей на ползучесть проводят на протяжении 30 сут. По результатам длительных испытаний строят кривые (фиг. 3) получести системы, включающей выработку с наличием в ней давления рабочей жидкости и окружающий ее целик.

На основании обработки кривых ползучести получают параметры ползучести сс и о в зависимости от величин действующих напряжений и давления рабочей жидкости в камере 1.

Расчет вертикальной деформации (М) междукамерного целика в натурных условиях производят исходя из полученных экспериментальных данных по следующей формуле

1270330 где h — высота целика, м. ц! — а в(1)= в*(!+ ),. где t — период времени, на который рассчитывают деформацию целика, сут.

Пример. Определяют деформацию между камерного целика с применением метода подземного растворения солей через скважины, пробуренные с поверхности для условий камерной системы отработки. Исходные условия: сетка бурения скважин 200)(200 м; диаметр камер d= 100 м; проектируемая высота камер (высота целика) h =- 50 м; средний вес пород покрывающей толщи у„=

=2,4 т/м, объемный вес растворителя 7 =

=1,0 т/м ; глубина разработки Н = 500 м.

Требуется рассчитать деформацию междукамерного целика h на срок t= 10 и t = 20 лет со дня начала отработки камеры.

Для данных условий определяют отношение диаметра камеры к стороне сетки бурения скважины г!/1= !00/200= 0,5; вертикальные напряжения, действующие в пласте

6i= у„= Н= 12 МПа; величину давления растворителя на стадии подготовительного размыва q = 50 ати; величину давления насыщенного раствора на стадии эксплуатационного размыва камеры qz= 0,1 1,2 500=

= 60 ати.

Затем из керна вскрывающих скважин, взятого с глубины залегания пласта Н=

=500 м, изготавливают модели 2 диаметром 30 и высотой 60 мм. Для соблюдения безразмерных соотношений d/! в модели и в натуре проектируемый диаметр выработки в модели принимают равным 15 мм.

В устройстве для моделирования устанавливают полый режущий орган диаметром 15 мм в полый режущий инструмент 8, а также втулку 15. После этого изготоавленную модель 2 помещают в давильную камеру устройства для моделирования. Создают объемное напряженное состояние на модель

2, при этом вертикальная нагрузка, создаваемая поршнем 3, и давление рабочей жидкости по проекции контура моделируемой выработки равным 12 МПа (oi). Давление на боковую поверхность модели 2 для компенсирования возникающих в процессе испытаний поперечных деформаций задают равным о = — аз= 6 МПа.

По результатам измерения вертикальных деформаций модели 2 по мере ее нагружения строят кривую деформирования соли.

На этой кривой (фиг. 2) имеется точка перегиба, которой соответствует величина деформации е*= 9,5 10 ". Для восстановления «памяти» пород на действовавшие ранее в массиве напряжения модель 2 выдерживают под нагрузкой в течение 3 — 6 ч.

Затем понижают давление рабочей жидкости по площади моделируемой выработки до величины Р ..= 50 ати, определяемой по формуле (1), и выдерживают модель в таком состоянии еще 30 ч. После этого повышают давление рабочей жидкости llo нижнему торцу модели по площади моделируемой выработки до величины Рпов.== 60 ати, определяемой по формуле (2), и начинают проходку выработки. Ввиду того, что высота моделируемой камеры небольшая, проходку выработки в модели 2 осуществляют на всю высоту 60 мм с одновременным поддер1р жанием в выработке давления рабочей жидкости. После проходки выработки модель остается под нагрузкой порядка 30 сут.

В течение этого времени ведут измерение вертикальных деформаций модели 2. По результатам длительных испытаний строят кривую (фиг. 3) ползучести модели. Отработку кривой ползучести ведут с использованием линейной теории наследственности с ядром ползучести Абеля.

В результате обработки кривой определены параметры ползучести а и о, значения которых равны соответственн а= 0,712, у= 0,032.

Подсчитывают значение E(t) = Е g

gt I — и

25 Q (1+, ) для t= 10 и t= 20 лет.

Тогда в(t == 10) = 95 10 " (!+

+ 0 288 — — 20,7 10, е (t= 20) =

0,032 (10 365) " эо

9,5 10 " (1+ 0,032 (20 365) — 23,2! о,аяа

3 + о = о 10=50. ?0,7- о4= р 1м, 4ht=zo =20=50 23,2 а =O,gz .

Таким образом,. вертикальная деформация междукамерного целика составит че40 рез 10 лет — 10 см, а через 20 лет — 12 см.

Формула изобретения

1. Способ определения деформационных

45 свойств междукамерных целиков методом моделирования, включающий изготовление цилиндрической модели из натурного материала, образование отверстия, имитирующего выработку, обьемное нагружение модели. выдержку модели с выработкой под нагрузкой и определение деформационных свойств целиков по результатам испытания модели, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, нагружение модели проводят перед образованием выработки до объемного напряженного состояния, соответствующего напряженному состоянию массива на моделируемой глубине, затем снижают давление на части торцовой

1270330

6 юла

РРР1 ОРР2 Е

4 ою 2 я,%

07 а,б

02

1 султ

70

Составитель В. Тальвойш

Редактор С. Лисина Техред И. Верес Корректор С. Черни

Заказ 6213/29 Тираж 470 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4 поверхности модели по площади моделируемой выработки до величины

P00II.= Рд — грас г.

1 0 где P. — действующая вертикальная нагрузка, МПа; урасг — объемный вес растворителя, т/м ; у, — объемный вес пород т/м, проводят выдержку во времени и повышают давление по площади моделируемои выработки до величины

Г а сs" р ..= Р„, мпа, г

Где 1гг вас.раст.— Объем н ы и вес насыщен НОГО Ра с" твора, т/м . после чего осуществляют в нагруженной модели проходку выработки с одновременным поддержанием в ней повышенного давления и измеряют в процессе выдержки вертикальные деформации модели.

2. Устройство для определения деформационных свойств междукамерных целиков методом моделирования, содержащее корпус, размещенные в нем давильную камеру для модели с нагружающим поршнем и компенсационную камеру, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной камерой, раз10 мещенной под компенсационной камерой, и полым режущим инструментом с приводом, при этом компенсационная камера сообщена с дополнительной камерой через полость режущего инструмента, а в основании давильной камеры выполнено ограниченное втулкой отверстие для режущего инструмента.