Способ определения напряженного состояния горного массива

 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроля напряженного состояния горного массива . Цель изобретения - повышение точности определения напряженного состояния участка массива горных пород. Для оценки напряженного состояния горного массива бурят скважину в исследуемом массиве и измеряют его электрические характеристики . Затем определяют коэффициенты поляризуемости образцов горных пород в ненагруженном и нагруженном состояниях и коэффициент поляризуемости исследуемого участка массива. По относительному изменению коэффициента поляризуемости массива по сравнению с ненагруженным образцом по тарировочной кривой определяют степень напряженного состояния горного массива. 2 ил., 2 табл.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)5 E 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4612316/03 (22) 02,12.88 (46) 15,09.91. Бюл. № 34 (71) Московский горный институт (72) Г.Я, Новик, Н.Н. Хелмицкий, Г.М. Диашова и И.Ю. Буров (53) 622.23,05 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹883430,,кл. Е 21 С 39/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР № 998754, кл. Е 21 С 39/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

¹ 798298, кл. Е 21 С 39/00, 1976, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА (57) Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для контроИзобретение относится к горной. промышленности и предназначено для контроля напряженного состояния горного масси Вэ.

Целью изобретения является повышение точности определения напряженного состояния участка массива горных пород.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа; на фиг.2 — зависимость относительного изменения коэффициентов поляризуемости от степени напряженного состояния образцов и массива горных пород.

Способ определения напряженного состояния горного массива осуществляют следующим образом.

В контролируемом участке массива 1 (фиг.1) посредством электродов 2 и 3, подключенных к источнику 4 постоянного элек„„5U „„1677304 А1 ля напряженного состояния горного массива, Цель изобретения — повышение точности определения напряженного состояния участка массива горных пород. Для оценки напряженного состояния горного массива бурят скважину в исследуемом массиве и измеряют его электрические характеристики, Затем определяют коэффициенты поляризуемости образцов горных пород в ненагруженном и нагруженном состояниях и коэффициент поляриэуемости исследуемого участка массива. По относительному изменению коэффициента поляризуемости массива по сравнению с ненагруженным образцом по тарировочной кривой определяют степень напряженного состояния горного массива. 2 ил., 2 табл. трического тока. наводят постоянное электрическое поле.

Под воздействием электрического поля в горной породе п роисходитее электрохимическая поляризация за счет окислительно-восстановительных процессов между минералами с электронной проводимостью и соприкасающимися с ними растворами солей (пластовыми водами), что приводит к деформации двойного электрического слоя на границе элементарная частица — поровая влага, величина которой характеризуется коэффициентом поляризуемости. При воздействии на горную породу механических нагрузок происходит ее деформация, т.е. изменение расстояния между элементарными частицами горной породы, что вызывает дополнительное деформирование двойного электрического слоя и, следовательно, увеличение значения коэффициента поляри1677304

Я" — й" (40

Степень нагруженности горного массива o оценивается отношением ?) к q, некоторой функцией o= f (y-/ 7 ) которая количественно определяется эксперимен- 45 тально для каждой конкретной горной породы в лабораторных условиях. Для этого образец горной породы, взятый иэ участка исследуемого массива, помещают в испытательную машину (пресс), предварительно 50 приклеив на торцовых поверхностях образца измерительные электроды. Образец с приклеенными электродами изолируют от корпуса испытательной машины с помощью изолирующих прокладок. Установив обра- 55 зец, включают источник постоянного электрического тока с учетом идентичности электрического поля при измерениях в массиве и на образцах. Замеряют величину электросопротивления образца в момент зуемости. Величину коэффициента поляризуемости горной породы в ее естественном нагруженном состоянии фиксируют с помощью измерительного прибора 5 и сравнивают с коэффициентом поляриэуемости. 5 измеренным на ненагруженном образце данной горной породы при тех же параметрах электрического поля, что и при измере; ниях в массиве. Зависимость значения коэффициента поляризуемости горной по- 10 роды от величины механической нагрузки установлена в процессе экспериментальных исследований. Коэффициент поляриэуемости горных пород определяют . различными методами. например методом 15 измерения электрического сопротивления посредством измерительного прибора 5., Электрическое сопротивление R (исследуемой горной породы измеряют на заданной глубине в момент наведения 20 электрического поля и R через заданный промежуток времени г. Аналогично определяют электрическое сопротивление R и К;

I,I ненагруженной породы, представляющей собой образец, взятый непосредственно из 25, участка исследуемого массива. При этом, обеспечивается одинаковость напряженности постоянного электрического поля при измерении в массиве и на образцах. По из, меренным значениям электрических сопро- 30 тивлений определяют коэффициенты поляризуемости нагруженного массива и ненагруженной породы у, по формулам;

I наведения электрического поля R и R-, иерез определенный промежуток времени т(например, t = 5, 10, 15, 30, 60. 120с и т.д,) до заметной стабилизации значений

I . Ступенчато нагружают образец с ша1 гом в 10 Па, На каждой ступени нагружения производят полный цикл измерений, как и на ненагруженном образце. Нагружение образцов производят вплоть до их разрушения, Для каждого цикла измерений рассчитывают коэффициент поляриэуемости породы, а затем и относительное его изменение по сравнению с ненагруженным образцом. Строят тарировочный график изменения коэффициентов поляризуемости данной горной породы д.-„lд от степени напряженного состояния горной породы св зависимости от времени г(фиг.2). Используя этот график, можно, зная тип горной породы, а значит. и величину д и определяя .в исследуемом горном массиве, получать значение степени нагруженности данного участка горного массива, Данным тарировочным графиком можно пользоваться многократно для изучения процесса изменения напряженного состояния горного массива во времени и в процессе ведения горных работ, что значительно ускоряет последующие определения напряжений при сохранении достаточной точности измерений, Пример. На руднике М 1 способ использован для измерения степени напряженного состояния горного массива вблизи очистного забоя. Для проверки достоверности полученных в массиве данных эти же параметры были определены стандартным методом разгрузки с использованием аппаратуры УК вЂ” "Тензор".

Работу проводили в следующем порядке: бурили куст из трех горизонтальных параллельных скважин диаметром 42 м так, чтобы линии, соединяющие оси скважин, составляли прямоугольный равнобедренный треугольник. При этом одна из скважин являлась центральной (скв, 1), а две другие располагали соответственно на расстоянии

0,8 м выше от центральной (скв, 2) и в сторону от нее (скв. 3). Такая система скважин . позволяет измерять горизонтальные и вертикальные составляющие напряжений, действующих в массиве.

Из кернов, полученных при бурении скважин, изготавливали цилиндрические образцы длиной 10 — 15 см для лабораторного определения зависимости коэффициента поляризуемости от действия механических напряжений, Образцы помещали между из1677304

Скважины 1 — 3:

Скважины 1 — 2: ! =02 м; g /у =1,11;

1 = 1,2 м; 7) /7 о =- 1,36;

1= 2,2 м; gg/т(о = 1,68.

Скважины 1 — 3

1=0,2 м; g/go = 1,04;

l = 1,2 м; rt/ o = 1,47;

1= 2,2 м; g-/7о = 1,58.

По полученным данным у ;Л с учетом, что r = 30 с, на тарировочном графике

45 находили значения компонентов действующих в исследуемых участках горного массива напряжений; . горизонтальную составляющую ох и вертикальную составляющую оу, 50

Получены следующие значения характеристик напряженного состояния:

На контуре выработки ох =- 3,0 МПа; оУ= 6,6 МПа;

55 мерительными электродами, представляющими собой медные пластины, которые устанавливали на торцах образцов, при этом направление тока совпадало с направлением действующих при испытании напряжений, Затем образец с электродами устанавливали в испытательную(пресс марки МС вЂ” 1000) машину, изолируя его от корпуса с помощью последовательно уложенных прокладок из резины и текстолита, После этого его ступенчато нагружали вплоть до разрушения, и на каждой ступени определяли Ro и R, по которым рассчитывали д;, при различном времени пропускания тока через образец.

Результаты измерений, а также данные расчетов для составления тарировочного графика представлены в табл,1.

По полученным расчетным данным строили тарировочный график относитель ного изменения коэффициента поляризуемости породы в зависимости от степени нагруженности образца (фиг.2), Для того, чтобы данным тарировочным графиком было удсбнее пользоваться при натурных измерениях степени напряженного состояния горных пород в массиве, при построении графика на оси ординат откладывали вели- . чины действующих напряжений, a на оси абсцисс — зависимую величину относительного изменения коэффициента поляризуемости. Полученный график позволяет, определяя коэффициент поля ризуемости участка горного массива, судить о степени его напряженного состояния.

В массиве значения коэффициентов поля ризуемости определяли на различных глубинах с помощью скважинных щеточных электродов. Измерения проводили на поверхности выработки (глубина 0,2 м), а также на глубинах 1,2 и 2,2 м от контура выработки. Щеточные электроды устанавливали в параллельных скважинах на требуемой глубине, при этом обеспечивалось точное противостояние электродов, т.е. вектор направления тока при измерениях был перпендикулярен оси скважин. Определяли в каждой точке электрическое сопротивление между скважинами в момент наведения электрического поля R и сопротивление R;;- через промежутки времени г.

Результаты измерений представлены в табл.2.

l1o данным измерений рассчитывали значения коэффициентов поляризуемости в каждой исследуемой точке массива по формуле

R- — Q

R-, где R — электрическое сопротивление участка массива в момент наведения постоянного электрического поля;

В - — электрическое сопротивление че5 рез время t,когда сопротивление еще продолжает изменяться.

В данном случае получилось, что электросопротивление после наведения постоянного электрического поля увеличивалось

10 пропорционально времени в течение 30—

60 с, а затем изменения сопротивления стали незначительными. Поэтому для расчета д -выбраны значения R,.— через 30 с после наведения электрического поля.

Расчетные значения ц,- следующие:

Скважины 1 — 2:! = 0,2 м; ц, =- 21 ;

20 l 1.2 м;,.=26 ;

1= 2,2 м; гу, =-32 .

25 i=02 ì; g,. 37 ;

l=1,2м; у =28; ;

I = 2,2 м; j-,= 30 ;

Учитывая, что величина 7)o для ненагруженного образца при т = 30 с равна 19, получили следующие величины отноше>j />jo .

На глубине 1,2иох = 3,8 МПа; сто =

=4,6 МПа;

На глубине 2,2 м ох = 6,4 МПа; oy ==

= 6,0 МПа.

1677304

Для проверки достоверности полученных в массиве данных эти же параметры были определены (в этих же скважинах) стандартным методом разгрузки с испольЭованием аппаратуры УК вЂ” "Тензор".

При сравнении результатов проведеных экспериментов разница в определении оответствующих параметров массива даным и стандартным методами не превысила

l10-15,ь, что вполне допустимо для натурНых исследований.

Формула изобретения

Способ определения напряженного со стояния горного массива, включающий бурение скважины в исследуемом массиве и измерение его электрических характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения напря5 женного состояния, определяют коэффициенты поляриэуемости образцов горных пород в ненагруженном и нагруженном состояниях, затем определяют коэффициент поляризуемости исследуемого участка мас10 сива и по относительному изменению коэффициента поляриэуемости массива по сравнению с ненагруженным образцом по тарировочной кривой определяют степень напряженного состояния горного массива.

Таблица1! (Скважины 1-2 Скважины 1-3

Исследуемый участок

I l

2,2 0,2 1,2 2,2 кОм, кОм кОм кОм

1,2 кОм

l ния, м измерения, с

25 69 27

27 74 34

29 80 39

31 85 42

32 86 45

34 86,5 48

36 87 51

38 87,5 53 ,5 40 88 54 ,5 41 88 54,5

42 88 5 55

НФ Глубина

0,2 и/и Время измере- кОм

0 27

2 10 33

3 20 36

4 30 37

5 40 38

6 50 39

7 60 40

8 90 41

9 120 42

10 180 42

11 240 43

73 44

85 49

89 55

90 60

91 64

91,5 65

92 66

93 69

94 71

94,5 71,5

95 72

1677304

СОсс1 О О !

ChONe л л л л

СЧ СЧ (Ч

ОО в л

С 1 N в а а л счсчсчсч 1

1 н1ЛЛО I

Ch Ch Ch т» I л л л л о о о N

00СС4 ОО I О О О СО

О м

1 о

1 (О & м у

Х 0

44 О

Cd

Ql а

С0 о,о

1

1

О сч 1

00 O Сч

Мс о и йГ л в л

И

М

Г а

Со

Clj о Ch СО СЧ мNо 141 и л л

11 -4

I ---4

1 м. 1

Ф о

g" (J о

Ю х

v о

Е

И а 00

СЧ O O л л а

I I 1 I

I 1 I 1

1 1 I

О

I Ол сч мм

В сЧл

СЧ С 1 С"1 М О

СЧ СЧ

О с4

1 ж

Х

Г а

C ° сс х о,о

Ch N СЧ

NNММ

iО Ch O

NNN М о» сГ1

СЧ СЧ

4 !

I a

4 о

Y.

2 а

Ц о

И л с1 О - СЧ

ОЕО

° СЧ

СЧ СЧ

С .1

1

1 O 1

Л со

00 о

СЧ О СО мммм лв

СЧ N М л сс1

Л41с11

Щ СГ

С 4 СЧ С 1 !

00 о- С 1 сс1 11 Ф СО СЧ с"1 м 3 х а

0I х

С0 х х р

C0 Ch Oс 1 м -Ф и

° \

С 4 1 ллл

1 лю в л

N СЧМ

О 1 О

-- а О

Х х

4» о

Й о

СОО О

00 00 Ch О1 м О 4

00 СО

41 О О

00 00 01

1 О

1 м

1 1

Г I

I 1

1 О

СЧ 1,О 1 о- 1

1 1

1 1

I! м 1

1 1

1 О

I л л а л a a л л о ° ° о о ° о °

00 М -- W W 00 л О О О

Ч М М о1 и1 сс1 л л а л в л а л л в а

О а о о о

Ch О О О О О ссЪ

О---a a a л а л л сЧ ОсОО -N I та с1 41 с

О О С4 с1 СЧ О

ОосЧ м м с 1

t счNМ I

СЧNN

ООО

1

O СЧ!

Сс \ и л л сч м--1 - л

О1 Ch Ch Ch О О1 Ch

ООО

ООООООСЧСО 1

NмwсГ1 оО1 — сч 1

О- с4 Л Ол00О.I

1677304

4/, 2,0

Составитель М.Китайская

Техред М.Моргентал Корректор C,×åðíè

Редактор А.Лежнина

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

Заказ 3095 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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