Способ определения напряженного состояния массива горных пород

 

Изобретение относится к области горного дела. Цель изобретения - повышение точности измерений. Из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают ез него образец горной породы. Производят механическое нагружение на него с постоянной скоростью. Определяют нагрузки , соответствующие скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца. В качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения. По градиенту судят о напряженном состоянии массива горных пород. Напряжения в частях массива , непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, полученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрации напряжений. 3 ил. i СО со c САЭ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

SU» 1323711

А1 (50 4 Е 21 С 39 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А ВТОРСНОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3984347/22-03 (22) 02.12.85 (46) 15.07.87. Бюл. № 26 (75) В. В. Ржевский, В. С. Ямщиков, А. В. Кори, В. А. Михнюк и Г. И. Булычев (53) 622.83(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1086159, кл. Е 21 С 39/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР № 1071744, кл. Е 21 С 39/00, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (57) Изобретение относится к области горного дела. Цель изобретения — повышение точности измерений. Из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают ез него образец горной породы.

Производят механическое нагружение на него с постоянной скоростью. Определяют нагрузки, соответствующие скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца. В качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения. По градиенту судят о напряженном состоянии массива горных пород. Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, полученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрацйи напряжений. 3 ил.

1323711

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена схема установки нагружения образцов; на фиг. 2 — кривые зависимости изменения скорости ультразвука в образцах от нагрузки; на фиг. 3 кривые зависимости изменения градиента ско. рости ультразвука в образцах от нагрузки.

Цифрами и буквами на чертежах обозначены: образец 1 горной породы, ультразвуковой преобразователь 3, обечайки 2, пружины 4, гидравлический пресс 5, манометр 6, регистратор 7 скорости ультразвука, арифметический блок 8, кривая 9 изменения скорости ультразвука образца, обладающего памятью, кривая 10 изменения скорости ультразвука образца, потерявшего память на действовавшие напряжения, кривая 11 изменения градиента скорости ультразвука образца, сохранившего память на действовавшие напряжения, кривая 12 изменения градиента скорости ультразвука образца, потерявшего память на действующие напряжения;ч и -ц ",— — скорость и градиент скорости ультразвука в образце ".оответственно; R — нагрузка на образец, МПа; Ri — нагрузка на образец в точке перегиба зависимости v (R) или в точке максимума зависимости.

Способ осуществляют в следующей последовательности.

В исследуемом массиве определяют направление главных напряжений и зону нетронутого массива (не показано). Затем из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают из него образцы горной породы. Необходимость определения зоны нетронутого массива и отбора из него керна обусловлена тем, что такой образец не претерпел вторичных изменений напряженно-деформированного состояния, вызванных проведением горной зыработки. Образец 1 горной породы располагают между двумя парами обечаек 2, внутри которых размещают ультразвуковые преобразователи 3. Преобразователи 3 прижимают к обечайке 2 пружинами 4. Контакты между ультразвуковыми преобразователями 3, поверхностью обечаек и поверхностью образца 1 смазывают, например механическим вазелином или парафином. Сбечайки 2 вместе с образцом 1 устанавливают между плитами гидравлического пресса

5. Манометром 6 измеряют давление масла в гидросистеме пресса, пропорциональное напряжению R, одновременно измеряют время т прохождения ультразвуковых волн через образец 1. Время т определяют стандартными бетоноскопами, например УК10 ПМ или УК-14 П. Образец 1 горной породы циклично или с постоянной скоростью нагружают до тех пор, пока не наступит его разрушение. По данным измерений определяют скорость 9 и градиент скорости 11 продольных ультразвуковых волн в образце 1 для каждой величины нагрузки, а по моменту достижения им максимума судят о напряженном состоянии исследуемого массива горных пород. Так как образец в массиве находится в условиях объемного сжатия, то нагрузка, при которой градиент достигает максимума, соответствует разности максимальных и минимальных главных напряжений. С учетом того, что между максимальными и минимальными главными напряжениями в нетронутом массиве имеет место соотношение

15 2= Оь

E — vь определяют значения максимальных главных напряжений в зависимости от величины нагрузки R в точке перегиба:

1 — ч 1 1 2 1 где Ri — величина давления на образец, со ответствующая характерной точке

25 перегиба на графике зависимости скорости упругих волн от давления; К = 10 — 11 МПа; — коэффициент Пуассона.

В качестве арифметического блока 8 используют ЭВМ, например CM-2М. Устрой30 ство связи с объектом (УСО) ЭВМ соединяют с цифровым выходом прибора

УК-10ÏМ.

Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, по35 лученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрации напряжений, величина которого может быть рассчитана по зависимостям скорости ультразвуковых волн

w(E) или интенсивности акустической эмиссии при бурении скважины 1(1) от глубины скважины, пробуренной при определении зоны нетронутого массива.

Физические предпосылки изобретения заключаются в следующем: установлено, что скорость упругих волн в образце Ч рас45 тет с увеличением нагрузки, а градиент скорости Д снижается и приближается к нулю.

cf

Однако эксперименты проводились на образцах, давно извлеченных из массива и уже не обладающих механической памятью на

50 действовавшие напряжения. Известны также результаты опытов по определению скорости продольных волн в образцах сразу после извлечения из массива и через год после извлечения. Замечено, что скорость продольных волн в разгруженном образце с

55 течением времени существенно уменьшается (на 20 — ЗОЯ). При этом необходимо учитывать, что горные породы имеют множество дефектов, в том числе дефектов второго порядка (микротрещин), которые име1323711 ют некоторую величину раскрытия. Величина раскрытия трещин уменьшается с увеличением нагрузки, перпендикулярной плоскости трещин. Давление, которому подвергаются горные породы в массиве, приводит к некоторому уменьшению величины раскрытия трещин, которая сохраняется в течение некоторого времени после извлечения из массива, а затем увеличивается до размеров, соответствующих полной разгрузке. Величина раскрытия микротрещин является определяющим фактором скорости упругих волн в образце.

Формула изобретения

Способ определения напряженного сос- 15 тояния массива горных пород, основанный на испытании образцов горных пород, сохранивших механическую память на действующие в горном массиве напряжения, включающий отбор образцов из горного массива, их механическое нагружение с постоянной скоростью и определение нагрузки, соответствующей скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца, по которой-судят о напряженном состоянии массива горных пород, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности из. мерений, образец выбуривают из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения, а в качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения.

l3237ll

0000, 5000 я, ма

11=10 15 Z0 Л

Фаа 2

D0 м С с1 Р мха

050

100

5 е = 10 15 Ю 05

40аг 5

Составитель И. Фомичева

Редактор A. Маковская Техред И. Верес Корректор А. Ильин

Заказ 2943/36 Тираж 454 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

/

/

4000,/, кп