Способ контроля тектогенных напряжений в горном массиве

 

Изобретение относится к гидрогеологии, технике и гидромеханике и предназначено для организации и проведения контроля тектогенных напряжений в горном массиве на основе наблюдений за режимом подземных вод в целях прогнозирования и предупреждения землетрясений. Сущность изобретения: наблюдения за режимом подземных вод выполняются не в проницаемых слоях, а наоборот, в слоях практически водоупорных путем измерения порогового давления воды посредством дистанционных малоинерционных манометров. При этом наблюдения могут выполняться одновременно в нескольких слоях. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к геотектонике, гидрогеологии или гидрогеомеханике и может быть использовано при организации наблюдений за режимом тектогенных напряжений в горном массиве в целях прогнозирования и предупреждения землетрясений по наблюдениям за режимом подземных вод.

Известны способы определения напряжений в горном массиве по характеру движения воды в нем по порам и трещинам, например измерение величины давления воды в нагнетательной скважине в момент гидроразрыва породы в испытуемом интервале. Давление гидроразрыва принимается соответствующим величине напряжения в массиве в направлении нормали к плоскости гидpоразpыва (Гупта Х. и др. Плотины и землетрясения. М. Мир, 1979, с.220-224).

Известен также способ определения напряжений в горных породах на основе определения ориентации трещин в пространстве и измерения в них основных параметров водного потока [1] Наиболее близким к предлагаемому по физической сути является способ контроля тектогенных напряжений в массиве по наблюдениям за изменением уровней (напоров) подземных вод в относительно хорошо проницаемых слоях, включающий бурение наблюдательных скважин, оборудование в них пьезометров, измерение изменений давления воды в наблюдаемых слоях и оценку режима тектогенных напряжений в горном массиве [2] Анализ этого способа показывает, что: для оценки режима тектогенных напряжений по измерениям изменений давления воды в хорошо проницаемых водоносных слоях необходима достаточно сложная обработка результатов наблюдений (измерений) для исключения реакции водоносных слоев на воздействия нетектогенного происхождения, при этом однозначный результат получить трудно; используемые наблюдательные скважины обладают большой емкостью и значительной гидродинамической инерционностью, снижающей чувствительность пьезометров из-за кольматации наблюдаемой зоны, что зависит от качества бурения, подготовки и оборудования скважины; высокая пьезопроводность хорошо проницаемых (водоносных) слоев способствует подавлению сильных локальных напряжений и восприятию широкого спектра различных помех различного происхождения.

Цель изобретения повышение эффективности наблюдений за реакцией подземных вод на изменение тектогенных напряжений путем повышения чувствительности наблюдений, сокращения спектра помех и упрощения интерпретации результатов наблюдений.

Это достигается тем, что наблюдательные скважины бурят в слабопроницаемые глинистые слои, а в качестве пьезометров используют индикаторы порового давления.

Способ отличается также и тем, что в качестве индикаторов порового давления используют дистанционные малоинерционные манометры-мессдозы.

Кроме того, наблюдения за поровым давлением воды и контроль тектогенных напряжений можно выполнять в одной скважине в нескольких изолированных интервалах на различных глубинах одновременно.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

В массиве, содержащем слои слабопроницаемых глинистых пород, бурят одну или несколько наблюдательных скважин, в одном или нескольких интервалах пересечения наблюдательной скважиной водонасыщенных глинистых пород устанавливают соответственно один или несколько пьезометров, в качестве которых используют индикаторы порового давления воды. Интервалы наблюдательной скважины между индикаторами тампонируют водонепроницаемым материалом. Показания индикаторов передают на поверхность по кабелям. В качестве индикаторов порового давления воды используют заранее тарированные малоинерционные дистанционные манометры.

Измеряя показания индикаторов порового давления воды, проводят наблюдения за режимом давления воды в слабопроницаемых слоях и по его изменениям оценивают изменения тектогенных напряжений в массиве. Наблюдения за поровым давлением воды и контроль напряжений целесообразно выполнять в одной скважине в нескольких изолированных интервалах на различных глубинах одновременно, что существенно повышает достоверность результатов контроля.

Предлагаемый способ контроля тектогенных напряжений в массиве путем наблюдений за режимом порового давления воды в слабопроницаемых глинистых слоях повышает чувствительность, защищенность от помех и, как следствие, упрощает интерпретацию наблюдений. Это достигается за счет низкой проницаемости и пьезопроводности глинистых слоев.

Наблюдения показывают следующее: изменение порового давления воды примерно соответствует изменению напряжения в слое; чем меньше проницаемость слоя, тем меньше в нем разность между изменением порового давления воды и вызвавшим его изменением напряжения в массиве; поровое давление воды реагирует на деформирование слоя практически мгновенно, а на изменение режима подземных вод в окружающих слоях медленно.

Использование малоинерционных манометров (типа ПДС или ДС-13) в качестве индикаторов порового давления обеспечивает практически мгновенную реакцию индикатора на изменение давления воды в наблюдаемом слое.

Предлагаемый способ экспериментально проверен на шахте им.Артема в Приморском крае. Здесь в скважинах диаметром от 100 до 240 мм и глубиной до 310 м, на различных глубинах, в различных по проницаемости слоях устанавливали заранее тарированные малоинерционные дистанционные струнные манометры ПДС-30 для наблюдений за влиянием опорного горного давления на режим подземных вод в районе очистных выработок с управлением их кровлей обрушением.

При этом было достоверно установлено следующее: в зонах опорного давления в результате повышения эффективных напряжений в породах повышается и поровое (нейтральное) давление воды;
приращение порового давления воды в зонах опорного давления может достигать 1,2 МПа (120 м водяного столба) и более;
на участках с одинаковым опорным давлением в более проницаемых слоях величина прироста порового давления воды значительно меньше, чем в слоях менее проницаемых;
чем ниже проницаемость слоя, тем ближе величина изменения порового давления воды к величине изменения давления на слой.

Приведенные выше результаты натурных наблюдений подтверждены численным моделированием на ЭВМ.

Таким образом, основные преимущества предлагаемого способа перед известными заключаются в том, что при его использовании обеспечивается более высокая чувствительность и защита от помех системы контроля тектогенных напряжений в горном массиве, упрощается интерпретация результатов наблюдений, предоставляется возможность дублирования наблюдений в одном пункте (скважине) по нескольким различным слоям, что существенно увеличивает достоверность результатов контроля.

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕКТОГЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ГОРНОМ МАССИВЕ, включающий бурение наблюдательных скважин, оборудование в них пьезометров, измерение давления воды в наблюдаемых слоях, выявление отклонений измеренных давлений воды от нормальных и оценку режима изменений тектогенных напряжений, пропорциональных измерениям давления воды, отличающийся тем, что наблюдательные скважины бурят в слабопроницаемые глинистые слои, а в качестве пьезометров используют индикаторы порового давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве индикаторов порового давления воды в горном массиве используют дистанционные малоинерционные манометры - мессзонды.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что наблюдения за поровым давлением воды и контроль тектогенных напряжений выполняют в одной скважине в нескольких изолированных интервалах на различных глубинах одновременно.