Способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород

 

Изобретение относится к ультразвуковым способам определения напряженного состояния массивов и может быть использовано для определения главных напряжений в массиве на участках, представленных породами блочного строения. Из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважины, определяют минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, бурят куст скважин по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят куст скважин по вершинам квадрата, стороны которых строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, и определяют главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива. 7 ил.

Изобретение относится к ультразвуковым способам определения напряженно-деформированного состояния горных пород и может быть использовано для определения главных напряжений в массиве на участках, представленных породами блочного строения.

Известен способ определения напряжений в нарушенном массиве горных пород, включающий прозвучивание нарушенного участка массива ультразвуковыми импульсами, измерение в нескольких точках времени прохождения импульсов через нарушенный участок массива, тарировку и выбор базы измерения, определение времени прохождения импульсов через ненарушенный участок массива, при этом базу измерения выбирают в месте, где измерение времени задержки прохождения импульсов не превышает 5% а время задержки определяют как разность между временем прохождения импульсов через нарушенный и ненарушенный участки массива, причем тарировку проводят по зависимости времени задержки от напряжения (авт. св. СССР N 899941, кл. E 21 C 39/00, 1982).

Указанный способ позволяет определять только результирующую из составляющих (уровень напряжений) по тарировочным зависимостям времени задержки прохождения импульсов от напряжения, полученным при искусственном нагружении краевой части массива. Однако определить данным способом действительные значения составляющих напряжений σ_x, σ_y, σ_z в массиве не представляется возможным.

Известен также способ, включающий измерение скоростей распространения продольных и поперечных волн в массиве вдоль скважины, измерение скорости распространения продольной волны в осевом направлении керна при его нагружении и определение вертикальных напряжений в массиве путем сопоставления значений скоростей распространения продольной волны в массиве и в керне. При этом при нагружении керна дополнительно измеряют скорость распространения поперечных волн в его осевом направлении и определяют величину горизонтальных напряжений путем сравнения полученных значений скоростей поперечных волн в массиве и в керне с учетом изменения скорости поперечных волн от действия вертикальных напряжений (авт. св. СССР N 1239319, кл. E 21 C 39/00, 1986).

Однако данный способ определения напряженного состояния массива горных пород обладает низкой точностью, связанной с индификацией поперечных волн, анализом волновых картин и определением значений интервальных времен распространения поперечных волн вдоль стенок скважины. Кроме того, низкая точность определений обусловлена тем, что в массиве горных пород при действующих напряжениях 10-30 МПа изменение скорости поперечной волны с ростом напряжений значительно меньше, чем для продольной волны.

Известен также принятый за прототип способ определения главных нормальных напряжений в массиве, заключающийся в том, что с поверхности выработки в трех ортогональных плоскостях бурят три параллельных шпура по схеме прямоугольной розетки скоростей, в них спускают на равные глубины датчики ультразвуковых волн, определяют скорости распространения продольных волн между каждой парой датчиков и по максимальным и минимальным значениям скоростей определяют ориентацию эллипса скоростной анизотропии, при этом направление длинной оси эллипса принимают одинаковым с направлением максимального главного напряжения. Используя тарировочные зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученные с применением метода разгрузки, вычисляют главные нормальные напряжения (Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М. Недра, 1982, с. 140-151).

Однако указанный способ обладает низкой точностью определения главных нормальных напряжений и высокой трудоемкостью проведения измерений, связанной с определением ориентации эллипса скоростной анизотропии и определением тарировочных зависимостей между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученным методом разгрузки, особенно в массиве блочного строения.

Погрешности определения напряжений данным способом в массиве могут достигать более 20% Затраты времени на одно измерение для получения тарировочной зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением обычно составляют 2-4 ч.

Для повышения точности определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород блочного строения и снижения трудоемкости проведения измерений в способе, включающем бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях кустов из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из скважин, определение упругих и акустических характеристик образцов горных пород, размещение в скважинах источников и приемников упругих колебаний и измерительных устройств, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважины, устанавливают минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, куст скважин бурят по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят скважины по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлению действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерения, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна, при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, а главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива определяют по формуле где E модуль Юнга, МПа; ν коэффициент Пуассона; h высота образца, см; L база измерений, см; среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс; среднее время прохождения продольных волн в разгруженном образце керна, мкс; K_тр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

На фиг. 1 показана схема влияния структурных элементов (трещин) на скорость распространения упругих волн по керну скважины; на фиг.2 схема к определению направлений действия деформаций (напряжений) вокруг скважин, пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника горных пород; на фиг.3 - схема к определению величин напряжений вокруг скважин, пробуренных по вершинам квадрата в блочном массиве; на фиг.4 схема размещения ультразвуковых зондов с датчиками упругих колебаний в скважинах; на фиг.5 конструкция ультразвуковых датчиков и оборудования для проведения измерений; на фиг.6 и 7 соответственно схемы к определению направлений действия и величин главных нормальных напряжений в условиях объемного напряжения состояния блочного массива.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Из горной выработки бурят куст скважин по вершинам прямоугольного треугольника и в каждой точке измерения в местах установки измерительных устройств определяют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин на равной базе измерений в трех ортогональных плоскостях.

При извлечении образцов керна из скважины, пробуренной в массиве блочного строения, определяют средний размер элементарных структурных блоков. Расстояние между скважинами выбирают равным не менее семи элементарных структурных блоков.

Рассмотрим процесс распространения плоской волны в структурном блоке, состоящем из n элементарных структурных элементов (фиг.1). Средняя скорость распространения колебаний в блоке C_б определится как частное от деления длины блока L на время T_б, за которое колебания, возбуждаемые на одном конце блока, достигнут приемника, расположенного на другом конце блока.

Тогда, полагая, что блок пород состоит из n структурных элементов длиной l, в которых колебания распространяются со скоростью C_к, и принимая, что время задержки колебаний, необходимое для прохождения волной трещин, равно t_тр, получаем:
Из этого уравнения можно определить отношение скорости распространения продольных волн в блоке к скорости распространения волн в элементарном структурном элементе:

учитывая, что L/l n, получим

При очень большом числе структурных элементов n имеем, переходя в (2) к пределу и обозначая l/C_к=t_к,

Таким образом, скорость распространения колебаний в блочном массиве при увеличении числа структурных элементов стремится к определенному пределу, составляющему некоторую долю от скорости распространения колебаний в структурном элементе:

При некотором отношении размеров блочного массива и структурного элемента дальнейшее увеличение количества трещин (элементарных структурных блоков) не вызывает изменения механических и акустических свойств среды. Это соотношение и принято в качестве критерия квазиоднородности. При малых значениях степени трещиноватости C_б/C_к быстро уменьшается, а затем кривая выполаживается и стремится к некоторому пределу, причем при L/l≥7(C_б/C_к) незначительно отличается от этого предела, т.е. в пределах погрешности измерений.

Таким образом, при достижении степени трещиноватости L/l≥7 характеристики механических и акустических свойств трещиноватого блочного массива изменяются очень незначительно. При данном значении степени трещиноватости трещиноватую среду можно рассматривать как сплошную.

По изменению времени распространения упругих волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин определяют напряжения действия нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях.

Основной причиной изменения времени прохождения упругих волн в массиве блочного строения являются деформации, возникающие в результате закрытия и уплотнения трещин, что приводит к увеличению плотности породы. Степень закрытия трещин зависит от их ориентировки по отношению к действующим нормальным напряжениям в массиве. Наибольший эффект закрытия наблюдается для трещин, ориентированных в направлении действия максимального нормального напряжения в массиве; в этом же направлении наблюдается максимальное увеличение плотности породы и соответственно наибольшее уменьшение времени прохождения продольной волны. Наименьшее закрытие наблюдается для трещин, ориентированных в направлении действия минимального нормального напряжения в массиве и соответственно в этом направлении наблюдается наибольшее время прохождения продольной волны.

Таким образом, изменение времени распространения упругих волн Δt_ϕ в каком-либо направлении зависит от изменения деформации De_v (напряжений) в этом направлении, т.е.

Dt_ϕ= Δε_ϕ·k, (6)
где к размерный коэффициент.

При расположении измерительных устройств в скважинах (фиг.2), пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника, деформации в каком-либо направлении могут быть определены следующим образом

где ϕ угол между направлением действия максимальной деформации и начальным нулевым направлением.

В уравнение (7) входят три неизвестные величины: e_max, ε_min и ϕ. Для их определения необходимы три уравнения, которые можно получить, выполнив три измерения времени прохождения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника и определив при этом три значения t⁰₁, t⁴₂⁵, t⁹₃⁰ на равных базах измерений.

Из аналитического решения уравнения (7), подставляя измеренные значения t⁰₁, t⁴₂⁵ и t⁹₃⁰, можно получить выражение для определения значения угла ϕ между направлением максимальной деформации (напряжения) и начальным нулевым направлением

Измеренные значения времени распространения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника, относят к одинаковой базе измерений, т. е. к равному пути прохождения продольной волны между скважинами.

Для определения напряжений в массиве блочного строения осуществляют бурение параллельных скважин по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений (фиг. 3). Напряжения в каждой точке измерения определяют по относительному изменению времени прохождения упругих волн в разгруженном образце керна и в нагруженном массиве, т.е.

где t^k_i/ время распространения продольной волны в разгруженном образце в каждой i точке измерений;
t⁰_i^,90 время прохождения продольной волны в нагруженном массиве в каждой i точке измерений;
k размерный коэффициент.

В каждой точке измерения в местах установки измерительных устройств измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный выше квадрат.

Базу измерений выбирают равной L≥7l, где l средний размер ребра элементарного структурного блока.

Время распространения продольных волн в образцах пород керна, отобранных в точках измерений, определяют при высоте образцов h=(1/10)·L, где L - база измерений.

При расположении измерительных устройств в скважинах, пробуренных по вершинам квадрата, напряжения в точках измерений в трех ортогональных плоскостях в направлении 0,90^o можно определить по следующей формуле

где E модуль Юнга, МПа;
ν коэффициент Пуассона;
h высота образцов, см;
L база измерений, см;
среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс;
среднее время прохождения продольных волн в разгруженных образцах керна, мкс;
К_тр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

Распределение напряжений вокруг скважин, пробуренных в блочном массиве по вершинам квадрата и в направлении оси Z'' в произвольной системе координат (x', y', z'') описывается следующим соотношением (фиг.3)

где нормальные и касательные напряжения, МПа;
a радиус, проведенный по вершинам квадрата, см;
r радиус до точки, в которой определяются напряжения, см;
Θ угол между первоначальным направлением (ось y') и направлением измерения, градус.

При расположении скважин, пробуренных по вершинам квадрата и при расстоянии между скважинами L≥10D, где D диаметр скважин, радиус до точки, в которой рассматриваются напряжения, практически совпадает с радиусом, проведенным по вершинам квадрата, т.е. r=a.

Решение уравнения (II) при r=a, Θ = 0°, 90^o приводит к следующим формулам


Из уравнений (12) и (13) получаем

Аналогично согласно предыдущих уравнений определяют , которые получают при определении σ^o, σ⁹⁰ в двух других ортогональных плоскостях, т.е.

Таким образом, для определения величин нормальных напряжений в блочном массиве бурят скважины по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, определяют напряжения в трех ортогональных плоскостях σ^0,90_I,II,III, на основании которых, используя предыдущие уравнения, вычисляют .

Зная все значения нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, находят величины главных нормальных напряжений для условий объемного напряжения состояния массива из следующих уравнений



Вычитая из уравнения (20) уравнение (21), получим


откуда получаем главные нормальные напряжения в блочном массиве



Экспериментально установлено, что главные нормальные напряжения в блочном массиве равны следующим выражениям



Таким образом, в общем случае главные нормальные напряжения в условиях объемного напряженного состояния блочного массива можно определять из выражения

Способ осуществляется следующим образом. В массиве блочного строения из горной выработки бурят вертикальную скважину 1 с отбором образцов керна и определяют средний размер элементарных структурных блоков. На торцах отобранного керна разной длины, кратной количеству структурных блоков, устанавливают датчики (излучатель и приемник) упругих колебаний, определяют скорость распространения упругих волн в n структурных элементах и акустический коэффициент трещиноватости K_тр блочного массива. При отношении размеров блочного массива и структурного элемента L/l≥7, при котором скорость распространения волн в блочном массиве выполаживается и изменяется незначительно (в пределах точности измерений), выбирают базу измерений L₁ и определяют минимальное расстояние между скважинами L₂, L₃ (фиг.4). Параллельно скважине 1 бурят две параллельные скважины 2, 3 по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами. Расстояние между скважинами 1-2 и 1-3 равно L₂=L₃. Один из катетов прямоугольного треугольника, например направление между скважинами 1-3, принимают за начальное нулевое направление, которое одновременно принимают за ось y. В три скважины 1, 2 и 3 в каждой точке измерений устанавливают три зонда 4, 5, 6 с датчиками упругих колебаний (фиг.4). Расстояние между датчиками (база измерений) в зондах выбирают равным минимальному расстоянию между скважинами, т.е. L₁=L₂=L₃. В скважину 1 помещают зонд 4 с датчиками 7, 8 упругих колебаний, в скважину 2 зонд 5 с датчиками 9, 10 упругих колебаний, в скважину 3 зонд 6 с датчиками 11, 12 упругих колебаний. Каждый из датчиков включает излучатель и приемник упругих волн, развернутые в плоскости относительно друг друга на 90^o. При этом излучатели и приемники датчиков располагаются в двух ортогональных плоскостях соосно друг другу, например между скважинами 1-2 и 1-3.

Перед проведением измерений собирают зонды 4, 5, 6, каждый датчик (фиг. 5) которых включает корпус 13, излучатель 14 и приемник 15 упругих волн, устанавливаемые на опорных пластинах 16, пневмокамеры 17, растяжки 18, трубопровод 19, электрокабели 20. Каждый зонд содержит два датчика, акустический изолятор 21, досылочные штанги 22. Для прижатия датчиков к стенкам скважин подают сжатый воздух в пневмокамеры по трубопроводам от камеры 23. В качестве регистратора сигналов используют прибор 24.

Перед проведением ультразвуковых измерений три зонда 4, 5, 6 с помощью досылочных штанг 22 устанавливают в скважины, пробуренные по вершинам прямоугольного треугольника, и передвигают по ним в требуемую точку массива. Расстояние до точки измерения определяют по отметкам, размеченным на досылочных штангах. Прижим датчиков к стенкам скважин производят подачей сжатого воздуха от камеры 23 с помощью ручного насоса. Измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве и вдоль скважин проводят в каждой точке измерений в трех ортогональных плоскостях (фиг.4 и 6). Для этого к прибору 24 подключают электрокабели 20 датчиков 7, 11 с излучателем И₃ и приемником П₁ упругих волн и измеряют время распространения продольной волны t^o₁ между скважинами 1-3. Затем к прибору подключают электрокабели датчиков 7, 9 с излучателем И₁ и приемником П₂, датчиков 9, 11 с излучателем И₃ и приемником П₂, датчиков 8, 11 с излучателем И'₁ и приемником П₃, датчиков 7, 10 с излучателем И₂ и приемником П'₁ и измеряют t⁰₂^,90, t⁴₃⁵, t⁴₄⁵, t⁴₅⁵ между скважинами 1-2, 2-3, 1-3. Аналогичные измерения проводят и вдоль скважины. Для этого к прибору подключают электрокабели датчиков 7, 8 с излучателем И₁ и приемником П'₁, датчиков 9, 10 с излучателем И'₂ и приемником П₂, датчиков 11, 12 с излучателем И₃ и приемником П'₃ упругих колебаний и измеряют t⁹₆⁰, t⁹₇⁰ вдоль скважины 1.

Используя измеренные значения времени прохождения продольных волн между скважинами для каждой точки измерений t^o₁, t⁰₂^,90, t⁴₃⁵, t⁴₄⁵, t⁴₅⁵ и вдоль скважины t⁹₆⁰, t⁹₇⁰, определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в блочном массиве в трех ортогональных плоскостях по следующей формуле

где t⁰_I,II,III, t⁴⁵_I,II,III, t⁹⁰_I,II,III значения времени прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях соответственно в направлении 0^o, 45^o, 90^o от условного нулевого направления.

Использование зондов данной конструкции, расположение датчиков в скважинах, пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника (фиг. 4, 5), и использование предлагаемых схем измерений (фиг. 6) позволяют повысить точность определения направлений действия нормальных напряжений в блочном массиве. Кроме того, повышение точности измерений достигается путем переключения в датчиках , , , т.е. обеспечивается дополнительное прозвучивание межскважинного пространства и вдоль скважин в направлении 0^o, 45^o, 90^o относительно условного нулевого направления.

Определив направления действия нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, задают направление для бурения новых скважин (ϕ₂ и ϕ_3/ , фиг. 6), а затем бурят параллельные скважины по вершинам квадрата, стороны которых строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений (ϕ^m₁^ax и ϕ^m₁ⁱⁿ, фиг.7). При этом производят отбор образцов керна из скважин в точках измерений для последующего определения упругих и акустических свойств образцов горных пород. Две стороны рассматриваемого куба принимают за условное нулевое направление, например направления между скважинами 4-5, 4-7, которые соответственно принимают за ось y' и x'. Расстояние между скважинами, т. е. базу измерений L, выбирают равным не менее семи элементарных структурных блоков. Акустические характеристики образцов определяют при высоте образцов h=(1/10)L.

Во все скважины в требуемую точку массива в каждой точке отбора керна устанавливают зонды с датчиками упругих колебаний (фиг. 4 и 7). В скважину 4 помещают зонд 1 с датчиками 7, 8, содержащими излучатели И₄, И'₄ и приемники П₄, П'₄ упругих волн, в скважину 5 зонд 2 с датчиками 11, 12, содержащими излучатели И₅, И'₅ и приемники П₅, П'₅, в скважину 6 зонд 3 с датчиками 9, 10, содержащими излучатели И₆, И'₆ и приемники П₆, П'₆, в скважину 7 зонд 4 с датчиками, содержащими излучатели И₇, И'₇ и приемники П₇, П'₇ упругих колебаний. При этом излучатели и приемники располагают в межскважинном пространстве соосно друг к другу. Базу измерений вдоль скважин L₄ выбирают равной базе измерений между скважинами L₅, L₆, т.е. L₄=L₅=L₆. Расстояние до точки определяют с помощью досылочных штанг. Подачей сжатого воздуха из камеры 23 производят прижим датчиков зондов к стенкам скважин и проводят измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве и вдоль скважин в каждой точке измерений. Для этого к прибору 24 подключают электрокабели датчиков и измеряют время распространения упругих волн t^o₁, t⁰₂^,90, t^o₃ , t⁰₄^,90, t⁹₅⁰, t⁹₆⁰, t⁹₇⁰, t⁹₈⁰ между скважинами 4-5, 4-7, 6-7, 5-6 и вдоль скважин 4, 5, 6, 7.

Таким образом, установив зонды в скважинах, пробуренных по вершинам квадрата, измеряют время прохождения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений в трех ортогональных плоскостях и определяют их средние значения, т.е. .

Для возбуждения и регистрации сигналов используют ультразвуковые приборы с датчиками упругих колебаний, например УК-10 ПМС и пьезоэлементы с резонансными частотами 25, 60 кГц.

Используя средние значения времени прохождения продольных волн в трех ортогональных плоскостях в точках измерений, средние значения времени распространения продольных волн , полученные по образцам при высоте керна h=(1/10)·L, коэффициентов трещиноватости K_тр, и, определив упругие характеристики образцов горных пород E, ν, определяют главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива по формуле

Использование предлагаемого способа позволило повысить точность определения напряжений в блочном массиве по сравнению с известными. Например, погрешность определения нормальных напряжений σ_x, σ_y, σ_z в блочном массиве торцовой разгрузки составила 16-21% предлагаемым способом с использованием измерительных устройств не превышала 5%
Таким образом предлагаемый способ позволяет повысить точность определения главных нормальных напряжений в блочном массиве по сравнению с трудоемким методом разгрузки. Затраты времени на проведение измерений каждой точки исследуемого массива предлагаемым способом не превышали 0,1 ч.

Предлагаемый способ позволяет с достаточной эффективностью, надежностью, в достаточном объеме и за короткий срок произвести оценку напряженного состояния блочного массива по мере развития горных работ. Например, средние значения главных нормальных напряжений в блочном массиве в зоне опорного давления и за зоной влияния горной выработки составили =25,0 МПа; =31 МПа; = 40,0 МПа. Погрешность определения главных нормальных напряжений в блочном массиве составила 1-2 МПа. При этом глубина участка наблюдений 890 м, площадь сечения горизонтальной выработки наблюдений 890 м площадь сечения горизонтальной выработки 20 м², диаметр скважины 76 мм, глубина скважин 15 м, размеры элементарных структурных блоков 8-12 см, минимальное расстояние между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника 0,8 м. Азимутальный угол ϕ^m₁^ax = 160°, вертикальные углы ϕ^m₂^ax, . Минимальное расстояние между скважинами, пробуренными по вершинам квадрата 1,0 м. Коэффициент трещиноватости блочного массива K_тр=1,14. Высота образцов керна 10 см. Диапазон изменения времени распространения продольных волн в образцах керна 30,0-34,0 мкс. Диапазон изменения времени прохождения продольных волн на равной базе между скважинами и вдоль скважин 184-266 мкс. Частота упругих колебаний 25 кГц. Затраты времени на проведение измерений 20 точек исследуемого массива 1 ч.

Формула изобретения

Способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях кустов из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из скважин, определение упругих и акустических характеристик образцов горных пород, размещение в скважинах датчиков упругих колебаний, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, отличающийся тем, что сначала из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважин, устанавливают минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, куст скважин бурят по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят куст скважин по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, а главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива определяют по формуле

где Е модуль Юнга, МПа;
ν коэффициент Пуассона;
h высота образца, см;
L база измерений, см;
t^0,90_I,II,III среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс;
среднее время прохождения продольных волн в разгруженном образце керна, мкс;
К_тр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7