Способ контроля механического состояния массива горных пород

 

Использование: в горном деле и строительстве . Контроль механического состояния массива осуществляют определением модуля упругости пород по напряжениям и деформациям массива, для этого предварительно выделяют в массиве слои, измеряют напряжения и деформацию в каждом слое, определяют приращение во времени модулей упругости пород для каждого слоя и по знаку приращения определяют механическое состояние пород для каждого слоя, при этом отклонение величины модуля в меньшую сторону от начальною значения свидетельствует о разрушении и разгрузке слоя массива, а в большую о накоплении о нем упругой энергии и возможности динамических явлений. Положительный эффект: повышение точности и надежности оценки состояния массива, возможность проведения долговременных Дистанционных измерений в автоматизированном режиме. 4 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s Е 21. С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4740445/03 (22) 26.06.89. (46) 07.09,92. Бюл. N 33 (71) Институт угля СО AH СССР (72) Н.А. Жданкин, В.В, Вербилов и Н.Е.

Яковлев (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 1411470, кл, Е 21 С 39/00, 1988.

2. Сб. Научных трудов. Физические свойства пород в массиве, Новосибирск, 1982, с. 18. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД (57) Использование: в горном деле и строи.тельстве. Контроль механического состояния массива осуществляют определением

Изобретение относится к горному делу .и строительства и может быть использовано для контроля механического состояния массива горных пород и грунтов.

Известен способ определения модуля деформации массива горных пород, включающий измерение в выработке деформаций породы и определение по измеренным параметрам модуля деформации (GM, авт. св.

СССР bh 1411470, кл. Е 21 С 39/00, 1988).

Недостатками данного способа являются низкая точность (иэ-за его эмпирической основы) и невозможность использования для контроля за состоянием массива во времени.

„„5LJ„„1760110 А1 модуля упругости пород по напряжениям и деформациям массива, для этого предварительно выделяют в массиве слои, измеряют напряжения и деформацию в каждом слое, определяют приращение во времени модулей упругости пород для каждого слоя и по знаку приращения определяют механическое состояние пород для каждого слоя, при этом отклонение величины модуля в меньшую сторону от начального значения свидетельствует о разрушении и разгрузке слоя массива, а в большую о накоплении в нем упругой энергии и возможности динамических явлений. Положительный эффект; повышение точности и надежности оценки состояния массива, возможность проведения долговременных Дистанционных измерений в автоматизированном режиме, 4 ил, ю

Известен способ контроля состояния горной выработки, включающий анализ смещений глубинных реперов вокруг выработки и выявление образования трещины по моменту изменения знака смещений на смежных реперах (см. а.с. СССР N. 1293336, кл. Е 21 С 39/00, 1987).

Недостатками данного способа являются низкая точность (т.к, фиксируются только деформационные процессы) и невоэгложность его применения в условиях сжатия массива.

Известен способ определения модуля упругости массива, включающий измерение деформации выработки вдоль ее оси и на1760110 пряжений в рассматриваемом интервале длины выработки (см. Физические свойства пород в массиве — Новосибирск, 1982, с. 18).

Недостатками данно о способа являются низкая точность определения модуля упругости, т.к. при его расчете используются только дне компоненты тензора нзпряжений. и непроработанность вопросов контроля состояния массива.

Целью предлагаемого способа является повышение точности и надежности контроля за счет комплексного исследования деформированного и напряженного состояния массива и обеспечение долговременных дистанционных измерений, Г1оставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем определение модуля упругости пород по напряжениям и деформациям массива, предварительно выделяют н массиве слои, измеряют напряжения и деформацию н каждом слое, определя от приращение по времени модулей упругости пород для каждого слоя и по знаку приращения определяют механическое состояние пород для каждого слоя, при этол отклонение величины модуля в меньшую сторону о> начальноto значения свидетельствует а разрушении и разгрузке слоя массива, а в большую — о накоплении в нем упругой энергии возможности динамических явлений, Анализ отличительных признаков показывает, что признаки "...измеряют напряжения и деформации н каждом слое..." и

"определяют приращение во времени модулей упругости пород для каждого слоя..." подобны признаку "...по деформации выработки вдоль ее оси и измерению напря>кений в рассматриваемом интервале определяют модуль упругости..." в способе, описанном в "Физические ot .oéñòâà пород в массиве" — Ноносибирск, .;82, с. 18 и признаку "... по измененьпо модуля деформации судят аб изменении плотности массива грунта..." в способе по а,с. СССР (Ф 990957 по МКИ Е 02 1/00, 1981 r. Однако, в известных способах указанные признаки используются для общего определения прочностных свойств пород, н каждой точке массива модуль упругости определяется только один раз, тогда как в предлагаемом способе модуль упругости в каждой точке определяется многократно, причем более точно, за счет более корректных измерений напряжения, что позволяет определять его приращения во времени как по величине, так и по знаку. Эти признаки в совокупности с "... при этом отклонение величины модуля в меньшую сторону... свидетельствует о разрушении.„массина, а в большую — à наког -, 5

50 лении в нем упругой 3l ергии..." позволяют осуществить более дифференцированный подход к анализу механического состояния массива горных пород, осуществлять контроль за состоянием массива в процессе изменения его напряженно-деформированного состояния, Все это говорит о расширении свойств признака, что позволяет признать указанную совокупность отвечающей критерию "существенные огличия", На фиг. 1 показана схема работ по предлагаемому способу при проведении измерений с поверхности (н грунтах); на фиг. 2 — то

>ке — из горной выработки; на фиг, 3 — разрез

А-А на фиг, 1, 2; на фиг. 4 — график изменения модуля упругости.

Способ реализуют следующим образом, С дневной поверхности или из горной выработки 1 бурят измерительную скважину 2 в контролируемый участок массива, Такими участками могут быть, например, грунтовые основания под массивными стро- . ительными сооружениями или породный массив вокруг горной выработки, подвергающейся внешним воздействиял (надработка, подработка и пр,).

В скважину на необходимую глубину опускают обойму 3 с установленными в ней датчиками нзпря>кениями (ДН) 4. В исходном состоянии ДН 4 не выступают за образу>ощую обоймы 3, т.е. не контактируют со стенками скважины 2 (исходное состояние

ДН 4 показано штрихпунктирной линией на фиг, 3). При достижении необходимой глубины производят инициирование заряда 5, продукты взрыва которого выталкивают ДН из обоймы 3 и внедряют датчики в тело массина через стенки сказ>кины 2. Таким образом, из обоймы 3 и ДН 4 образуется репер, установленной нз фиксированной глубине скна>киньк

Г!осле этого к установленному реперу закрепляется датчик смещений (ДС) G с установленной на нем второй обоймой 3, оснащенной ДН 4, как и первая обойма, Фиксация ДС 6 на перной обойме 3 может осуществляться при помощи самозащелкивающегося замка при контакте ДС 6 с первой обоймой 3 н процессе его опускания н скнажину 2. Производя инициирование заряда 5 во второй обойме 3, образу от второй репер, причем расстояние л ежду реперами может быть заранее определено разднижкой ДС 6 или с помощью удлинительных штанг(на черте>ках не показано).

В такой же последовательности осуще- ствляют монтаж следу ащих ДС 6 и ДН 4 по направлению от забоя к устью скважины 2, тем самым, образуя систему датчиков, распало>кенную вдоль оси скнажины 2 и разде1760110

55 ляющую массив на слои, в которых контролируются механические напряжения на границе каждого из слоев и относительное изменение их толщины (т.е, деформация).

Если позволяют условия, то возможна сборка вСей конструкции из ДН 4 и ДС 6 на поверхности (в выработке). Далее система датчиков устанавливается в скважину 2 на необходимую глубину с последующил1 поочередным или одновременным подрывом зарядов 5 в каждой из обойм 3. Скважина диаметром да 150 мм и глубиной да нескол ьких десятков метров может быть пробурена в.грунтовых основаниях различных сооружениях или в горных породах.

В качестве ДН может быть использован датчик (см. положительное решение по заявке 1Ф 4606660/31-03/160852/1989), представляющий собой полый стакан с режущими кромками со стороны открытого торца l1 двойными стенками, причем внутренняя поверхность наружной стенки стакана является чувствительным элементом датчика, преобразующего давление окружающей среды в электрический сигнал, передаваемый на поверхность по проводному каналу.

В качестве ДС 6 может быть использован датчик(см, а.с, СССР N 1606659 по МКИ

Е 21 С 39/00, 1990), представляющий собой две телескопические трубы с установленным во внутренней трубе чувствительным элементом (переменный резистор). Взаимное перемещение труб вращает ась резистора, преобразуя тем самым перемещение в электрический сигнал, который по проводному каналу может быть передан на поверхность.

Инициирование зарядов 5 в обоймах 3 может быть осуществлено электрическим током, подаваемым с поверхности flo проводному каналу на электровзрыватель.

Провода от ДН 3, ДС 6 и зарядов 5 могут быть продолжены вдоль оси скважины 2 через пазы 7 обоймы 3.

Процесс контроля механического состояния массива с помощью описанной системы датчиков производится следующим образом.

Компоненты напряжений, снятые с двух пар смежных ДН, и смещение между этими датчиками (реперами), снятое с ДС, используется в качестве исходной информации для определения модуля упругости участка массива. ВычиСление модуля производят по закону Гука, приняв в качестве основы положение, что деформация участка массива происходит под действием разности на5

40 пряжений на разных его концах. Это осуществляется по формуле:

О. — rr, -t Oo — и„Д

Еу—

Процесс измерения и вычисления модуля упругости для каждого участка массива (между каждой сменой парой реперов) производится периодически, а значение Е наносится в виде графика 8 на координатную сетку функции E(t). Далее следят эа изменением модуля упругости во времени и при отклонении его от первоначально вычисленного значения (естественно, превышающем определенную точность, порядка 10 — пунктирный интервал на фиг, 4) делают вывод о потере упругости и изменении механического состояния данного участка массива. В этом случае уже будет вычисляться не модуль упругости, а модуль деформации, Причем, при отклонении в меньшую сторону (ветвь 9) судят о разрушении и разгрузке массива, а в большую (ветвь 10) — о накоплении им упругой энергии и опасности динамического явления.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа обеспечивается следующим.

Основная идея способа заключается s там, что массив горных пород или грунтов в исходном своем состоянии характеризуется каким-то определенным модулем упругости (модулем деформации), отражающим связь между напряжениями и деформациями массива в данном ега механическом состоянии.

При изменении этого механического состояния, например, вследствие разрушения, пластических деформаций, палзучести и пр. меняется и модуль деформации. Поэтому предлагаемый способ предусматривает периодическое измерение напряжений и деформаций массива, пересчет по закону Гука модуля упругости и слежение за ега величиной. Как только модуль начнет отклоняться ат начальной (исходной) величины, значит, в массиве начались необратимые процессы, характеризующиеся изменением ега механической прочности, Если модуль меняется в меньшую сторону, то это свидетельствует а пониженных напряжениях и lloBblUJpííûõ деформациях та есть, а разрушении и разгрузке массива. Если модуль меняется в большую сторону, то это наоборот, говорит о повышенных напряжениях и пониженных деформациях (праисходит задержка деформаций), то есть о накоплении участком массива упругой энергии и опасности динамического явления. Задержка деформаций, как известно, является предвестникам горных ударов и внезапных выбросов, а

1760110 также землетрясений. Поэтому непрерывное слежение за соответствием деформаций напряжениям, думаем, позволит предсказать все эти явления и осуществлять их надежный прогноз. 5

Использование на всех участках датчиков с выходным электрическим сигналом позволяет проводить дистанционные долговременные измерения и главное, все 10 это можно осуществить в автоматизированном режиме, вплоть до вычисления модуля по специально заложенной в ЭВМ программе с непрерывным контролем за его величиной и выдачей аварийного сигнала при ее 15 отклонении.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод об эффективности предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ контроля механического состояния массива горных пород, основанный на определении модуля упругости пород массива по напряжению и деформациям массива, отличающийся тем, что, с целью повышения оценки состояния массива, предварительно выделяют в массиве слои, измеряют напряжения и деформацию в каждом слое, определяют приращение во времени модулей упругости пород для каждого слоя и по знаку приращения определяют механическое состояние пород для каждого слоя, при этом отклонение величины модуля в меньшую сторону от начального значения свидетельствует о разрушении и разгрузке слоя массива, а в большую- о накоплении в нем упругой энергии и возможности динамических явлений.

Составитель M.Êèòàéñêàÿ

Редактор Т.Иванова Техред M.Moðãåíòàë Корректор А.Долинич

Заказ 3167 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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