Способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (f I) ()5 Е 21 С 39/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4769152/03 (22) 13.12.89 (46) 30.09.92. Бюл. ¹ 36 (71) Институт физики и механики горных пород АН КиргССР (72) И,Т,Айтматов, А.В.Корн, К.Ч.Кожогулов, П,Ф,Матвеев, П.В,Баков (Su), Уве Гросс, Езеф Финк и Иоахим Коварик (DD) (56) Авторское свидетельство СССР № 1209863, кл, Е 21 С 39/00, 1984.

Турчанинов И,А. Основы механики горных пород. М.: Недра, 1987, с, 134 — 135, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ОСЕЙ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В

МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам определения естественного напряженного состояния горных пород в массиве, Известен способ определения направлений осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважин и последующее измерение деформаций ее стенок. При атом на измерительном участке образуют камеру сферической формы и измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва пород, по которым судят о соотношениях нормальных напряжений в массиве, à по плоскости гидроразрыва — о направлении оси минимального главного нормального напряжения, Известный способ повзоляет надежно определять направление оси главного напряжения только в мелкозернистых массивных и однородных породах, в отсутствии

2 (57) Изобретение относится к горному делу.

Цель — повышение точности, В измерительной скважине герметизируют интервал и нагнетают s него гидроагент до образования трещины гидроразрыва. Определяют давлениек Рз2 кваэистационарного раскрытия трещины, Затем герметизируют второй интервал с установленными в нем измерительными кольцами (ИК). Выполняют ИК из сочлененных элементов с пределами упругости (Оудр ) Рз и (Оудр ) +Рв . В интервал нагнетают гидроэгент до давления РЗ2 . Затем сбрасывают давление, извлекают ИК и измеряют диаметры и толщины элементов. По их соотношению определяют направления главных нормальных напряжений, 4 ил.

\е ослабляющих включений и микротрещиноватости, так как в противном случае плоскость гидроразрыва будет реализовываться по указанным неоднородностям. В то же время в реальности такие условия недости>кимы, (у) следовательно, достоверность и точность измерений остается невысокой, Известен способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение сквэ- д жины, герметизацию ее участка, нагнетание в него гидроагента до Образования трещины гидроразрыва, снижение давления и повторное нагнетание гидроагента до давления квазистационарного раскрытия трещины, по которому определяют величины главных напряжений в массиве и направление их осей по ориентации трещины гидроразрыва.

1765395

В таком способе предусматривается, что после образования трещины разрыва по результатам стереоскопирования места разрушения шов трещины будет указывать направление максимального главного нормального напряжения. . Однако известному способу присущ ряд недостатков, которые также были выявлены при проведении широкомасштабных опытно-экспериментальных работ на ряде месторождений СССР и ГДР, Во-первых, трещина гидроразрыва возникает в первую очередь в наименее прочной области пород, вскрытых скважиной, и характер шва повторяет конфигурацию этого включения, что искажает фактическое направление осей напряжений. Во-вторых, момент гидроразрыва происходит за пределом упругости пород и перед разрушением (разрывом) породы испытывали нелинейные деформации, а следовательно, теряется пропорциональность между деформациями и напряжениями и говорить о закономерном изменении формы скважины за пределом упругости не имеет смысла, а таким образом и место разрыва не будет в точности coarlaдать с направлением главных напряжений.

Целью изобретения является повышение его точности.

Для этого в способе определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород, включающем нагнетание в герметизированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрыва, последующее определение давления

Psg квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормалЬных напряжений, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно устанавливают измерительные кольца из сочлененных элементов с пределом упругости (

Psj, сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления осей главных нормальных напряжений.

На фиг.1 и 2 показана схема осуществления предлагаемого способа; на фиг.3 и 4 — сечение А-А на фиг,2.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

В исследуемом массиве горных пород 1 бурят измерительные скважины 2 и на измерительном интервале 3 ее герметизируют 4.

Для герметизации 4 может быть использо5

10 вана, например, система полиуретановых пакеров-4, раскрепление которых осуществляется жидкостью 5, посредством расширения пакеров гидросистемой, состоящей из гидроцилиндра (на фиг. не показано), установленного внутри пакера 4, гидропривода 6, пакерного манометра 7, двухходового пакерного крана 8 и гидронасоса 9. После подачи гидроагента 5 в гидропривод 6 насосом 9 кран 8 закрывают. Затем в образованный интервал 3 нагнетают гидроагент 5 насосом 9 при открытом кране 10, При этом

15 давление в гидросистеме 5 всегда поддеринтервале 3 повышают вплоть до образования трещины гидроразрыва 13. После образования грещин гидроразрыва давление в промежутке сбрасывают до нуля. При последующем цикличном увеличении давления в

25 гидросистеме 11 определяют величину давления Ps1 равновесного состояния гидроагента в трещине и горного давления на ее берега. В силу инерционности роста трещи30 ны величина квазистационарного состояния можетбыть получена только при втором цикле нагрузки-нагрузки внутри измерительного интервала 3, Для этого то повторно и повышают давление в указанном интервале 3 до момента повторного раскрытия трещины Рс2 и по истечении некоторого времени (5 — 10 мин) определяют величину квазистационарного раскрытия трещины

Psg . Давление Psz соответствует величине минимального главного напряжения, Следовательно, при этом давлении будет иметь место равновесие в пределах упругих деформаций между природным полем на40 пряжений и давлением в гидросистеме.

Другими словами, в этом случае на гидроагент воздействует природный тензор напряжений. После этого в скважине. 2 в непосредственной близости от интервала 3 в аналогичных породах герметизируют посредством гидросистемы второй измерительный интервал 14, в котором и редварител ьно устанавливают измерительные кольца 15, состоящие из сочлененных элементов двух типов: с пределом

1 уп ругости t ау,р ) Psg — 16 и (< Ппр) Psz 17. Элементы 16 изготавливают из алюминиевого сплава, а элементы

17 — из пружинной марганцовистой стали, живают большим на 5 — 10 МПа, чем в гидросистеме 11. Контроль давления

20 осуществляют по манометру 12. Давление в

1765395

Гидроагент 6 через гидросистему под давлением подают в интервал 14 и повышают давление в нем до величины Ps2 . При этом происходит деформация пластичных элементов кольца в соответствии с формой скважины, которую она приняла при снятии минимальной компоненты нормальных напряжений давлением PS. По прошествии некоторого времени r - 100-600»

>) трел (грел — время релаксации напряжений) давление в интервале 14 сбрасывают, кольцо за счет упругих элементов уменьшается в размерах и его извлекают из скважины, а по соотношению размеров диаметров или (и) толщин кольца д и д пластичных элементов 16 деформированного кольца 15 в направлениях его максимального удлинения P и максимального укорочения его диаметров судят о направлении осей главных напряжений. Следует учесть, что кольцо будет удлиняться в направлении о;п „, соответственно элементы 16 будут утоняться в направлении îm», Упругие элементы 17 кольца позволяют надежно фиксировать его . при установке, а при снятии давления извлечь его из скважины без изменения формы, Установка нескольких колец 15, повернутых друг относительно друга вокруг своей оси, также способствует выполнению поставленной цели flo двум причинам; повышается объем выборки для определения напряжений; обеспечивает получение максимальных деформаций пластичных элементов кольца на тех из них, где достигнуто совпадение положения середины податливого элемента и оси о„,;„, В совокупности указанная последовательность операций за счет того, что после бурения скважины на исследуемом участке ее на локальном участке герметизируют, подают под давлением s образованный интервал гидроэгент, повышают давление в указанном интервале до образования трещины гидроразрыва, сбрасывают давление и при повторном цикле нагнетания гидроагента определяют давление Рз2 квазистационарного раскрытия трещины, после чего в данной скважине в непосредственной близости от этого участка в аналогичных породах герметизируют второй локальный участок, в котором предварительноустанавливают измерительные кольца диаметром, равным диаметру скважины, состоящие из сочлененных элементов с пределом упругости (оу,р) Psg и с пределом упругости

f gnp ) Psg, нагнетают Во вновь образованный герметичный интервал гидроагента и повышают его давление до величины

Ps, после чего укаэанный интервал скважины разгерметизируют и извлекают из скважины измерительные кольца, 3 по соотношению диаметров и толщины деформированного кольца в направлении его максимального удлинения и максимального укорочения судят о направлении осей главных нормальных напряжений, что обеспечивает повышейие точности определения

"0 направлений осей главных напряжений в условиях естественного залегания пород.

Пример выполнения способа.

Участок горных пород с гранитами, для которых (о, ) = 180 МРа (Ор ст ) = 15 МРа.

На данном участке бурится вертикальная скважина диаметром 0,76 м. Скважина стереоскопируется прибором РВП-451. По данным стереоскопирования устанавливаются интервалы горных пород, относящиеся к одному структурному блоку. После чего на одном из выбранных интервалов устанавливают стандартный комплект для гидрорэзрыва пород. В результате последовательных циклов нагрузки и разгрузки скважины гидравлическим маслом и посредством указанного комплекта определяют: Рс =- 15 МПа; Ps> .= 12 МПа; Pcz = 14

МПа; Psz = 10 МПа. После чего зонд из скважины извлекают и внутри межпакерного пространства устанавливают семь колец, повернутых друг относительно друга на угол

60 и состоящих из алюминия марки АМц (оупр ) = 6,7 МРа и плоских пружин из стали

35 марки 55ГС1 (гЯ р) = 20 МРа; kg

=3 10 м до = 0,5 10 м. Во избежание смыкания колец между ними устанавливают упоры. После этого зонд устанавливают вновь в эту же скважину и досылают его так, чтобы измерительный интервал (межпакерное пространство) при этой установке оказалось внутри того же самого структурного блока, в котором ранее был произведен гидроразрыв. Маслонасосом вначале поднимают давление на гидроцилиндры пакеров до величины не менее чем Ps + 5 МПа = 15

МПа, после чего запирают эту гидроветвь и открывают гидроветвь для подачи жидкости в измерительный интервал и повышают давление здесь до величины Ps2 = 10 МПа. По прошествии 100 — 300 с давление в измерительном интервале уменьшают до нуля, далее от этой же величины снижают давление

5 на пакеры и по окончании стока масла из .гидросистемы извлекают из скважины зон гидроразрыва и измерительные кольца. Выбирают кольцо с наибольшими деформациями как формы, тэк и толщины и определяют направления и и .

1765395 д 1 =3 10 м направление и — (Tm >

АЛ -6 д1 =05:10 м бал =1,510 м

63 =0,5 10 м направление g — 0 m®<

Азимут простирания и Азп = 3/2 л и яг.

Азимут простирания о Азф = 2 m +.л .

Следовательно, простирание оси максимальных нормальных сжимающих напряжений субмеридиально, Предлагаемый способ позволяет точно и достоверно определять направление осей главных напряжений, вследствие этого возможно обоснование определять направление проходки выработок, обеспечивая устойчивое их состояние, а соответственно применять облегченные виды крепи с сохранением безопасных условий труда.

Формула изобретения

Способ определения направления рсей главных напряжений в массиве горных пород, включающий нагнетание в герметиэированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрыва, последующее определение давления Рг квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормальных напряжений, отличающийся тем, что, с целью повьгшения точности, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно. устанавливают измерительнЫе кольца из сочлененных элементов с и ределами упругости. foynp) Psz u f/ } Рз2 нагнетают во второй интервал времени гидроагент до давления Я,, сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления главных нормальных напряжений, 1765395 цг.

Фиг. 3.1765395

П

У

<авиа

Уб макс

Составитель К,Лыков

Техред lVl.Mîðãåíòàë Корректор Q,Ãóñòè

Редактор 3.Ходакова

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

Заказ 3364 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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