Способ определения напряженного состояния горных пород в массиве и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу. Цель - повышение оперативности и достоверности определения напряженного для этого состояния. Бурят скважины и отбирают пробы в сечениях, перпендикулярных оси скважины. Раздельно по периметру скважины осуществляют воздействия на стенки ее потоком инфракрасного излучения различной интенсивности. При анализе измеряют толщины пластин породы в пробах, по которым определяют значение и ориентацию действующих в массиве напряжений. В устройстве для осуществления данного способа излучатель выполнен в виде жестко соединенных цилиндрических секций 1. Первая секция имеет излучающий элемент с максимальной т-рой излучения, не превышающей т-ру плавления породы, остальные секции - излучающие элементы с переменной по длине секций т-рой. Устр-во имеет также емкости 2 для сбора проб, которые установлены между секциями 1 и выполнены с внутренними радиальными перегородками. Перегородку соседних секций 1 сдвинуты одна относительно другой на угол, определяемый кол-вом перегородок и емкостей 2. Поверхностей со стороны излучателей выполнены из отражающего материала с теплоизолированной обратной поверхностью. Наличие этого материала исключает электрометрическое разрушение участков скважин, расположенных на уровне емкостей для сбора породы. Это устраняет погрешность замеров объема отбитой породы и заклинивание стр-ва. 2 с.п. ф-лы. 6 ил.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

0770 А1 (19) (11) (51)4 E 21 C 3 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPGKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 ,(21) 3947620/23-03 (22) 29.08.85 (46) 23.12.89. Бюп. № 47 (72) М.В.Рыбин, В.А.Черников, А.Г.Мерзон, В.В.Кузнецов и Ю,И.Протасов (53) 622.233(088.8) (56) Турчанинов И.А., Панин В.И.Геофизические методы определеня и контроля напряжений в массиве. — Л.: Наука, 1975, с. 9-12, 22-24.

Авторское свидетельство СССР № 585284, кл. Е 21 В 7/28, 1975.

2 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО

СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В MACCHBE .И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горному делу. Цель — повышение оперативности и достоверности определения напряженного состояния. Для этого бурят скважины и отбирают пробы в сечениях, перпендикулярных оси скважины. Раздельно по периметру скважины осуществляют воздействия на стенки ее потоком инфракрасного излучения различной интенсивности. При анализе измеряют толщи3 1530770 4 ны пластин породы в пробах, по кото- радиапьными перегородками. Перегородрым определяют значение и ориентацию ки соседних секций сдвинуты одна отдействующих в массиве напряжений. В носительно другой на угол, определяе— устройстве для осуществления данного мый кол-вом перегородок и емкостей 2.

5 способа излучатель выполнен в виде же- Поверхности емкостей со стороны излустко соединенных цилиндрических секций чателей выполнены из отражающего ма1. Первая секция имеет излучающий эле- териала с теплоизолированной обратной мент с максимальной т-рой излучения, поверхностью. Наличие этого материала не превышающей т-ру плавления породы, 1ð исключает электрометрическое разрушеостальные секцйи — излучающие элемен- ние участков скважин, расположенных ты с переменной по длине секций т-рой. на уровне емкостей для сбора породы.

Устр-во имеет также емкости 2 для сбо- Это устраняет погрешность замеров объра проб, которые установлены между ема отбитой породы и заклинивание секциями 1 и выполнены с внутренними 15 с ва. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

Иэобребретение относится к горному делу, в частности к методам исследования состояния горных пород в массиве путем отбора проб иэ стенок скважин.

Цель изобретения — повышение оперативности и достоверности определения25 напряженного состояния.

На фиг. 1 показано устройство для определения напряженного состояния горных пород в массиве на фиг.2 — разрез

А-А на фиг.11на фиг.3 — скважина,раз- 30 реэ;на фиг,4 — зависимость времени откола пластин от плотности р потока инфракрасного излучения; на фиг. 5 зависимость толщины h отбиваемых пластин от g; на фиг. 6 — зависимость от35 носительного объема V „ отбиваемой отн породы, от

Устройство содержит инфракрасный излучатель, состоящий из цилиндрических секций 1 различной мощности излу- 4п чения, и установленных между ними цилиндрических емкостей 2 для сбора отбитой породы. Секции 1 и емкости 2 жестко закреплены на подающей штанге

3. На емкостях 2 под секциями 1 установлены кольцевые конические воронки

4. В плоскости дна к емкостям 2 приварены кольца 5. Внутренние части воронок 4 и колец 5 выполнены из отражающего материала, а их обратные поверхности, как и боковые поверхности емкостей 2, покрыты теплоизоляционным материалом 6. Емкости 2 выполнены с внутренними радиальными перегородками

7, делящими емкости 2 на несколько рав,, gS ных по объекту отсеков 8, при этом перегородки 7 соседних емкостей 2 сдвинуты одна относительно другой на угол ol,, определяемый выражением

2 1Г с и(ш-1) где n — количество отсеков 8 в каждой емкости 2

m — количество секций 1 излучателя.

Количество секций 1 и отсеков 8 в емкостях 2 для сбора породы в конечном итоге определяется необходимой точностью в определении направлений действия главных напряжений. При этом следует учитывать, что линейные размеры отсеков 8 должны быть таковы, чтобы обеспечить пропуск отбитых пластин максимальной, характерной для данного процесса, крупности, Эксперименты показывают, что даже для минимальных плотностей потока излучения (Т „ „= 600 С) размеры пластин не превьппают радиуса скважины. Таким образом, оптимальное п = 6, оптимальное число секций 1 составляет трипять.

Теплоиэоляция 6 исключает электротермическое (ЭТ) разрушение участков скважин, расположенных на уровне емкостей 2 для сбора породы, что устраняет погрешность замеров объема отбитой породы и эаклинивание устройства.

Выполнение внутренних частей воронок 4 и колец 5 иэ отражающего материала позволяет сосредоточить мощ-" ность излучающих секций 1 на разрушаемых участках и исключить перегрев емкостей 2 ° Излучающие элементы первой из секций 1 имеют максимально возможную температуру, но не превышающую температуру плавления породы (для апатито-нефелинов Т„„ 950-980 С). Излучающие элементы остальных секций

5 15307 имеют переменную по высоте температу,ру. Это достигается, например, изменением сечения нихромовой проволрки, являющейся излучающим элементом или изУ 5 менением шага навивки проволоки на цилиндрический изолирующий каркас.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью механизма подачи (не по- ip казан) устройство подается в скважину, устанавливается на заданной высоте и включаются излучающие секции 1.

Поток электромагнитного излучения, попадающий на стенки скважины, нагрева- 15 ет породу, вызывая в ней термонапряжения, приводящие к разрушению последней. Отбирая порода попадает в отсеки 8 цилиндрических емкостей 2.

Первая секция 1 имеет максимальную температуру излучения, т.е, плотность потока на скважине составляет

50-80 кВт/м . В этом случае напряженное состояние массива не сказывается 25 на процесс Э1 -разрушения, и его продукты представляют собой мельчайшие частицы размером порядка 1 мм (фиг.

4и 5).

Последующие секции 1 имеют переменную по высоте температуру (температурная характеристика одинакова для всех секций, кроме секции 1) и во всех емкостях, собранная порода имеет разную крупность. Если напряженное

35 состояние массива незначительно, то крупность и толщина h изменяются в соответствии с кривой 1 на фиг. 5..

Для действующих в массиве напряжений порядка нескольких сотен Kl /ñì Кар- 40 тина будет иной, Большая часть объема отбитой породы будет представлена пластинами толщины h в несколько с раз большей h . Причем h = h для любых g (g, (кривая 2, фиг. 5) и эти 45 пластины легко отделяются от остальной породы после ситового анализа.

Как видно из графика на фиг. 6, объем отбиваемый в единицу времени со скважины при g < g также возрастает (кривая 2) по сравнению с чисто ЭТвоздействием (кривая 1).

В случае изотропных напряжений массива 6,= 6 з толщина Ь пластин и отбиваемый объем Ч не зависят от yr-55 ла 8, определяющего участок скважины, с которого взята проба.

При этом по характерной для значения g (g, толщине пластин h = h, 70 6, определяются значения действующих в ма с с ив е н апр яже ний: (1+y)

Y з 4

1 ЗЕККо (1+y ) з (1+у )

4 (1-4 ) ъ (2) Ь вЂ”

1 1 .)г (1+у )г о (1+у 3) 3EKR (1- г)у

6(6, - з) (3) (1+у )

h где

Rî

У вЂ” Л.

3 R0

В случае тр ещинов атос ти массива, сказывающейся на показателях электротермического разрушения, необходимо учесть ее влияние, приняв в приведенных выражениях скорректированное по известным зависимостям значение модуля Юнга.

Пример 1. При расширении скважин ф 105 мм (такие скважины полу чили наибольшее распространение на . подъемных рудниках) устройством, сос— тоящим из m = 3 секций, получают три пробы породы, Пробы с второй и третьей секций имеют одинаковый объем

ho гдеу= — —;

Ro

8. — радиус скважины;

4 — коэффициент Пуассона

К вЂ” коэффициент постели упругого основания;

Е - модуль Юнга, Па.

В случае аниэотропных напряжений, например 5, > з, начиная c g толщина пластин и объем породы,отбиваемой с разных участков по периметру скважины, изменяются в зависимости от угла 8 для каждой секции.

Направление действия 6 и 6 опреде1 ляется следующим образом. 6 = 0 и о

180 соответствуют отсеки с наименьшими толщиной пластины h и объемом

Ч, . 8-- 90 и 270О соответствуют отсеки с наибольшими h и Ч з

По значениям Ь, и Ь значений действующих в массиве напряжений Б и 6

1 определяются иэ выражений

1530770

V причем отбитая порода равномерно распределена по объемам емкостей, .т.е.

После ситового анализа определяют максимальную толщину пластин h =

1,5 см, т.е. у = 0,3. Известно, что

ЕК5 10 4 кг/см . Рассчитывают действующие в массиве напряжения по форму-, ле (1): 10

6 = 435 кг/см

Для данного случая опрЕделено значение плотности потока g =2,6 Вт/см, при котором на параметрах ЭТ-разрушения начинает сказываться горное давле-15 ние. Для данного случая зависимости параметров ЭТ-разрушения (ь, h, V) от плотности потока g показаны на фиг. 4-6.

Пример 2. Емкости 2 для сбо- 20 ра породы устройства разбиты внутренними перегородками 7 на Ь6 отсеков.

Вторая и третья емкости сдвинуты друг относительно друга на угол о(= 30 25

На фиг. 2 сплошными линиями показаны внутренние перегородки емкости 2, а штриховыми — емкости, которые сдвинуты друг относительно друга на угол о = 30 30

Проба в емкости 2 распределена .следующим образом. Иаксимальный объем сосредоточен в d, а минимальный в

Ь (нумерация отсеков идет в алфавитном порядке от О). В емкости 2 соответственно получают: V „«," отсеки а;

V — отсеки g, Таким образом намин

Э правление действия 6 находится в растворе, образуемом пересечением секторов Г и ы, а направление действия 40

6, в растворе, образуемом пересечением б и g .

Таким образом, направление действия

6, от точки 0-165, 6 — 75 . Точность в определении направления при этом 45 составляет + 15 .

Далее по выражениям (2) и (3) определяются &,и 6, исходя из измеренных .толщин пластин:

h,= 1 см; б,= 465 кг/см, Ь = 2 см; 6 = 450 кг/см .

Формула изобретения

1. Способ определения напряженного состояния горных пород в массиве, включающий бурение скважин, отбор и анализ проб породы со стенок скважин, отличающийся тем, что, с целью повышения оперативности и достоверности определения отбор проб в сечениях, перпендикулярных оси скважины, осуществляют раздельно по периметру скважины путем воздействия на стенки скважин потоком инфракрасного излучения различной инстенсивности, а при анализе измеряют толщины пластин породы в пробах, по которым опредсляют значение и ориентацию действую. щих в массиве напряжений, М

2. Устройство для определения напряженного состояния горных пород в массиве, содержащее инфракрасный излучатель, связанную с ним подающую штангу и емкости с воронками для сбора отбиваемой породы, о т л и ч а ю— щ е е с я тем,. что излучатель выполнен в виде жестко соединенных цилиндрических секций, первая из которых „ имеет излучающий элемент с максимальной температурой излучения, не превышающей температуру плавления породы а остальные имеют излучающие элементы с переменной по длине секций температурой, емкости для сбора проб установлены между секциями и выполнены с внутренними радиальными перегородками, при этом перегородки соседних емкостей сдвинуты одна относительно другой на угол, определяемый количеством перегородок и емкостей, а поверхности емкостей со стороны излучателей выполнены из отражающего материала с теплоизолированной обратной поверхностью.

1530770

А-А! 3

t;cere

h,t:è

720

0,8

0.9

2 90 Ф д,8m/сп|

Фиг. 5

2 9, Ф g,Â/ï/ñè фиг.5

1530770 чоян

/э!

Составитель В.Тапьвойш

Редактор Н.Яцола Техред И.яндык Корректор О, ципле

Заказ 7875/34 Тираж 449 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101