Способ определения напряженного состояния массива горных пород и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной промышленности и позволяет производить измерения с высокой точностью и информативностью. В скважине 7 устанавливают жесткий волновод в виде пластин (П) 12 и 13, установленных под углом друг к другу в разных плоскостях и возбуждают в нем ультразвуковые колебания. С обоих торцов П 12 и 13 устанавливают излучатель и приемник 3 ультразвуковых колебаний, соединенные с генератором колебаний и регистрирующей аппаратурой. Пространство между стенками скважины 7 и П 12 и 13 заполняют твердым дисперсным материалом 10 и уплотняют его. В качестве материала используют песок или стеклянные шарики. Приемниками 3 фиксируют поперечные колебания П 12 и 13 и определяют первоначальную амплитуду колебаний. Рассматривая полученные значения, как проекции, перпендикулярные плоскости, можно получить истинные значения сжимающих скважину сил и их направление относительно осей координат, которыми и являются П 12 и 13. Для определения компонент тензора напряжений во взаимно перпендикулярные пересекающиеся скважины-щели устанавливают жестко скрепленные между собой цилиндрические волноводы. Волновод может быть выполнен в виде системы жестко соединенных стержней, расположенных под углом друг к другу, или в виде П с продольной щелью, делящей ее на две части, повернутые относительно друг друга. 2 с. и 4 з.п. ф-лы. 9 ил.

Изобретение относится к области горного дела и предназначено для определения напряженного состояния массива горных пород. Цель изобретения повышение точности и информативности измерений. На фиг. 1 показана операция по определению напряженного состояния горного массива; на фиг. 2 операция по уплотнению поданного в скважину материала; на фиг. 3 операция по размещению в скважине двух плоских волноводов, размещенных под углом друг к другу; на фиг. 4 устройство с двумя цилиндрическими волноводами, установленными в перпендикулярные скважины-щели; на фиг. 5 вариант устройства, волновод которого выполнен из пластины; на фиг. 6 сечение А-А на фиг. 5; на фиг. 7 узел 1 на фиг. 5, один вариант исполнения; на фиг. 8 то же, другой вариант; элемента 1 фиг. 7; на фиг. 9 - вариант исполнения устройства с тремя волноводами, два из которых перпендикулярных между собой. Способ измерения напряженного состояния массива горных пород осуществляют следующим образом. На волновод 1, выполненный в виде, например, цилиндрического стержня (фиг. 1), с обеих торцов устанавливают излучатель 2 и приемник 3 ультразвуковых колебаний, которые соединены соответственно с генератором 4 колебаний и регистрирующей аппаратурой, например усилителем 5 и осциллографом 6. Волновод 1 с излучателем 2 и приемником 3, предварительно протарированные, устанавливают в скважину 7. Проводниками 8 и 9 соответственно излучатель 2 и приемник 3 ультразвуковых колебаний соединяют с генератором 4 и усилителем 5. Пространство между стенками скважины 7 и волноводом 1 заполняют (обычно пневмотранспортом) твердым дисперсным материалом 10. Это может быть песок или стеклянные шарики. В итоге обеспечивают контакт волновода 1 со стенками скважины 7 (фиг. 2) через дисперсный материал. Возбуждают ультразвуковые колебания волновода 1 (желательно в резонансном режиме) излучателем 2, приемником 3 фиксируют поперечные колебания волновода 1 и определяют первоначальную амплитуду его колебаний. По истечение некоторого времени производят повторный замер амплитуды поперечных колебаний волновода 1. В связи с тем, что из-за напряжений в горном массиве стенки скважины 7 деформируются, происходит изменение объема внутренней полости скважины 7. При этом возникает сила, которая через дисперсный материал 10 воздействует на волновод-стержень 1. В результате амплитуда колебания стержня волновода 1 изменяется (обычно, чем сильнее обжатие стержня, тем амплитуда его поперечных колебаний меньше). Сравнивая полученные данные с первоначальными, определяют изменение напряжений в горном массиве. Из изложенного видно, что способ позволяет определять напряжения в горном массиве непрерывно, начиная с некоторого начального этапа. Иными словами, подавая ультразвуковые колебания можно непрерывно измерять напряжения в горном массиве. Этот способ позволяет также снимать показания о напряжениях в массиве горных пород периодически, когда возникает такая потребность, например раз в месяц. Для повышения эффективности определения напряжений в массиве горных пород целесообразно поданный в скважину твердый дисперсный материал уплотнять (фиг. 2). Для этого в скважину 7 устанавливают поршень 11, и воздействуя на него со стороны устья скважины, силой P сдвигают материал 10 в сторону забоя скважины и тем самым уплотняют его. Здесь нужно учесть, что материал, которым заполнена скважина, можно уплотнять локально только в месте расположения волновода 1. Скважина 7 особенно у устья может быть заполнена неуплотненным материалом (и даже быть чистой от материала). При уплотнении материала 10 в скважине 7 улучшается контакт между стенками скважины 7 и волновода 1. Для определения компонент напряжений или направления максимальных (минимальных) соответствующих целесообразно использовать плоский волновод, выполненный в виде пластин 12 и 13, которые устанавливают в скважину 7 (фиг. 3) под углом друг к другу в разных плоскостях. При известности направления главных напряжений достаточно использования двух пластин 12 и 13, которые развернуты друг относительно друга на 90^o. Это наиболее целесообразный угол, исходя из упрощения дальнейших перерасчетом, так как при этом образуется декартова система координат. В принципе возможен и другой угол. У плоского волновода площадь боковой поверхности практически не соизмерима с площадью торцовой поверхности. В связи с этим он воспринимает нагрузку, приложенную только к его боковой поверхности. Каждая из пластин 12 и 13 имеет индивидуальные излучатели и приемники ультракоротких колебаний, следовательно, информация, снимаемая с этих пластин 12 и 13, будет различной в зависимости от степени их обжатия дисперсным материалом, а следовательно, и от величины напряжения в горном массиве. Рассматривая полученные значения, как проекции на перпендикулярные плоскости, можно получить истинные значения сжимающих скважину сил и их направление относительно осей координат, которыми фактически и являются пластины 12 и 13. На фиг. 4 приведен вариант устройства, в котором используются два цилиндрических волновода 14 и 15, прикрепленные сваркой к стержню 16, в средней части которого имеется лыска 17 с закрепленным к ней излучателем 2 ультразвуковых колебаний. Для такой конструкции необходимо выбуривание двух скважин-щелей под углом друг к другу в горном массиве, в которые устанавливают волноводы 14 и 15. При выполнении лыски 17 под углом 45^o к волноводам 14 и 15 энергия ультразвуковых колебаний будет равномерно распределяться по волноводам. Полость между волноводами и стенками скважины заполняется дисперсным материалом. Максимальная (минимальная) сила, деформирующая скважину, по-разному воздействует на волноводы 14 и 15 устройства. В результате будут получены составляющие от действия вектора сил, по которым можно определить направление действия самого вектора. В вариантах конструкции волновода, показанных на фиг. 5 8, он выполнен из одной пластины 18. На части длины пластины прорезана щель 19. Одна из частей 20 (на чертежах верхняя) повернута на 90^o относительно другой части 21. Излучатель 2 ультразвуковых колебаний жестко закреплен на поперечном торце пластины 18, а приемники 3 ультразвуковых колебаний на поперечных торцах частей 20 и 21 пластины. Щель 19 должна быть расположена на продольной оси, проходящей через излучатель 2. При этом торец щели может быть выполнен с двумя наклонными поверхностями 22 и 23 (фиг. 7) или закругленным, как показано на фиг. 8. При таком исполнении торца щели 19 ультразвуковая волна с одинаковой интенсивностью проходит по обеим частям 20 и 21 пластины. Такое исполнение устройства уменьшает его поперечные размеры, то позволяет бурить скважины меньшего диаметра. В случае, если неизвестно направление главного вектора напряжений, целесообразно использовать устройство с тремя пластинами-волноводами, показанное на фиг. 9. В этом случае два волновода (14 и 15) установлены перпендикулярно друг другу, а третий волновод 24 устанавливается между ними с известным углом наклона. Наиболее целесообразно установить волновод под углом 45^o. Такое исполнение устройства позволяет определить все компоненты напряжений, т.е. определить как величины напряжений, так и напряжения максимальных (минимальных) напряжений. В зависимости от производственных условий эффективен тот или иной вариант исполнения устройства. Так, наибольшую точность позволит получить конструкция устройства по фиг. 5, помещенная в две щели (желательно имеющих в сечении эллиптическую форму), как показано на фиг. 4. Однако, сложность изготовления в горном массиве перпендикулярных щелей порой будет ограничивать возможность его использования. Более просто применение варианта, показанного на фиг. 2, однако, использование его целесообразно в случаях, когда необходимо излучение величины напряжения без учета направления максимального (минимального) значения напряжения. Предлагаемые способ и устройство опробованы в лабораторных условиях и получены положительные результаты, описанные выше, т.е. в скважину, изготовленную в виде отверстия в металле, пластмассе, плексиглазе, устанавливали датчик-волновод, затем скважину заполняли кварцевым песком и стеклянными шариками и при деформации материала, образующего стенку скважину, было зафиксировано изменение амплитуды ультразвуковых колебаний, проходящих через волновод. Предлагаемый способ и устройство повышает точность измерений и обеспечивают длительное и избирательное (непрерывное или дискретное) получение исходных данных.

Формула изобретения

1. Способ определения напряженного состояния массива горных пород, включающий установку в скважину жесткого волновода, возбуждение в нем ультразвуковых колебаний и измерение параметров колебаний, по которым определяют величину напряжений в массиве, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измеряют амплитуду колебаний волновода, при этом скважину заполняют твердым дисперсным материалом и уплотняют его. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердого дисперсного материала используют песок или стеклянные шарики. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности измерений за счет определения компонент тензора напряжений, устанавливают во взаимно перпендикулярные пересекающиеся скважины-щели жестко скрепленные между собой волноводы. 4. Устройство для опpеделения напpяженного состояния массива гоpных поpод, содержащее волновод, излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, установленные на торцах волновода и соединенные соответственно с генератором колебаний и регистрирующей аппаратурой, отличающееся тем, что волновод выполнен в виде пластин, установленных в разных плоскостях и снабженных индивидуальными приемниками. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что волновод выполнен в виде пластины с продольной щелью, делящей пластину на две части, одна из которых повернута относительно другой, при этом торец щели выполнен закругленным или с двумя наклонными поверхностями, образующими острый угол с вершиной, направленной в сторону излучателя. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что волновод выполнен в виде системы жестко соединенных стержней, расположенных под углом друг к другу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9