Способ оценки напряженного состояния горных пород и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к горному делу и могут быть использованы для оценки напряженного состояния горных пород в окрестности горной выработки. Способ включает бурение скважины, формирование трещины разрывом горной породы, измерение давления разрыва. Разрыв горной породы осуществляют пластичным веществом в плоскостях, параллельных стенкам выработки, при этом оценку напряженного состояния горных пород проводят по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую скважину. Для оценки напряженного состояния горных пород могут использовать математическое выражение. Для разрыва горной породы могут использовать пластичное вещество, свойства которого постоянны во времени и не зависят от горного давления, например, пластилин. Пластичное вещество в формируемые трещины могут подавать периодически фиксированными порциями. До разрыва горной породы по линиям пересечения формируемых трещин и скважин могут выполнять концентраторы напряжений. Устройство включает трубу с внешней резьбой на конце, герметизатор из эластичного материала, заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, систему нагнетания пластичного вещества в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора и снабжено кольцом с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, на болты с обеих сторон кольца надеты пружины. В кольцо вмонтирован датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе, соединен с регистратором. На трубу и кольцо навинчены втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями с обоих концов и коническим выступом на одном конце. На каждой из втулок последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, при этом втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, а расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца и длины внешней резьбы трубы. Диаметр распорного кольца с прорезью в исходном состоянии может быть выполнен меньшим, чем диаметр большего основания конического выступа втулки. Изобретения направлены на снижение трудоемкости, возможность разрыва горной породы на любом расстоянии от забоя скважины и измерения давления в центре формируемой трещины, повышение управляемости процессом разрыва. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Технические решения относятся к горному делу и могут быть использованы для оценки напряженного состояния горных пород в окрестности горной выработки.

Известен способ определения напряженного состояния горных пород по авт. свид. СССР №1209863, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №5, 1986 г., включающий образование и герметизацию камеры в скважине, пробуренной на исследуемом участке, нагнетание в камеру жидкости до критического давления, приводящего к гидроразрыву пород, и определение ориентации плоскости гидроразрыва. Величину минимальной составляющей поля напряжений определяют по величине критического давления, а ее направление принимают соответствующим нормали к плоскости гидроразрыва. При этом камеру образуют сферической формы, измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва, определяют их соотношение, по которому судят об отношении максимальной и средней компонент поля напряжений.

Этот способ сложен в реализации из-за необходимости определения геометрических параметров гидроразрыва внутри непрозрачной среды. Кроме того, создание в массиве абразивных горных пород камеры сферической формы без концентраторов напряжений (полос на внутренней поверхности камеры), существенно влияющих на ориентацию плоскости гидроразрыва, представляет известные технические трудности.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ оценки напряженного состояния горных пород по авт. свид. СССР №857484, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №31, 1981 г., включающий бурение скважины, герметизацию в ней камеры, нагнетание жидкости до критического давления, приводящего к гидроразрыву, и разгерметизацию камеры. После разгерметизации камеры в скважину вводят перископическое устройство, ориентируют его до совпадения реперной нити окуляра со следами плоскости гидроразрыва, фиксируют пространственную ориентацию плоскости гидроразрыва и по ней судят о направлении большей компоненты поля напряжений.

Способ является относительно трудоемким из-за необходимости определения ориентации плоскости гидроразрыва. Он применим для изотропной среды, в которой отсутствуют естественные трещины и плоскости ослабления, оказывающие определяющее влияние на ориентацию плоскости гидроразрыва. Следует отметить, что на ориентацию плоскости гидроразрыва существенное влияние оказывают также размеры камеры и герметизирующих ее устройств.

Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. свид. №1573171, кл. Е 21 С 37/06, Е 21 В 43/26, опубл. в БИ №23, 1990 г., включающее заполненный рабочим телом корпус в виде стакана с кольцевым упорным буртом на наружной поверхности у днища и радиальными выходными отверстиями, нажимное кольцо, насаженное на корпус с возможностью продольного перемещения, кольцевые герметизаторы трапецеидального поперечного сечения, соосно насаженные на корпусе между упорным буртом и нажимным кольцом с образованием между ними кольцевой щели треугольного поперечного сечения с основанием, прилегающим к радиальным отверстиям, узел продольного перемещения нажимного кольца в виде соосной с корпусом и связанной с ним резьбой трубы с поворотной рукояткой, узел создания давления рабочего тела в корпусе в виде соосного и оппозитного днищу корпуса поршня со штоком и дополнительной поворотной рукояткой, тарельчатые пружины с радиальными прорезями на периферии, соосно установленные на образующих кольцевую щель поверхностях кольцевых герметизаторов, и трубчатую втулку, охватывающую корпус на уровне расположения нажимного кольца с прилегающим к нему кольцевым герметизатором и расположенной между торцом трубы и ближайшей к ней тарельчатой пружиной. На наружной поверхности корпуса выполнен кольцевой выступ для упора в него внутреннего края тарельчатой пружины со стороны упорного бурта.

В этом устройстве не предусмотрена возможность измерения давления в герметизированной зоне скважины. Кроме того, под действием создаваемого внутри него давления сжимаются кольцевые герметизаторы, разрывается горная порода, преодолевается трение между корпусом и подвижными деталями. Поэтому оно не может быть использовано для определения давления, обусловленного только свойствами и состоянием горной породы.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2184214, кл. Е 21 В 37/06, опубл. в БИ №18, 2002 г., включающее трубу, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора. На конце трубы выполнена коническая резьба, а распорное кольцо заострено по внешней окружности, выполнено с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, и образует с трубой винтовую пару.

Это устройство предназначено для проведения поперечного разрыва возле забоя скважины, ибо способно герметизировать ее (скважину) только с одной стороны формируемой трещины. Оно не снабжено устройством для измерения давления в зоне разрыва горной породы. Использовать его для оценки напряженного состояния горных пород не представляется возможным.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости и расширении области применения устройства за счет возможности разрыва горной породы на любом расстоянии от забоя скважины и измерения давления в центре формируемой трещины.

Задача решается тем, что в способе оценки напряженного состояния горных пород, включающем бурение скважины, формирование трещины разрывом горной породы, измерение давления разрыва, согласно предлагаемому техническому решению разрыв горной породы осуществляют пластичным веществом в плоскостях, параллельных стенкам выработки, при этом оценку напряженного состояния горных пород проводят по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую скважину.

Использование пластичного вещества обеспечивает управляемость процессом формирования трещин. Формирование трещин в плоскостях, параллельных стенкам выработки, позволяет воздействовать на породный массив в направлении, совпадающем с усилием, от которого образуются трещины, обусловленные естественным полем напряжений. Поэтому напряженное состояние горных пород можно оценивать, используя только параметры нагнетания пластичного вещества в формируемые трещины, что существенно снижает трудоемкость способа, повышая его эффективность.

Целесообразно определять энергию, затрачиваемую на нагнетание в каждую из формируемых трещин пластичного вещества фиксированного объема, и осуществлять оценку напряженного состояния горных пород осуществляют по формуле

где σ - напряжение в зоне формирования трещины;

σ_р - прочность горной породы на растяжение;

W - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема в зоне оценки напряжения;

W₀ - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема при отсутствии напряжения.

Это позволяет оценивать напряженное состояние горных пород по интегральной величине (интегралу произведения объема на давление), существенно снижающей вероятность ошибок, обусловленных случайными факторами.

Целесообразно разрыв горной породы осуществлять пластичным веществом, свойства которого постоянны во времени и не зависят от горного давления. Это обеспечивает возможность слежения за изменением напряженного состояния горных пород в течение длительного времени путем периодической подачи в формируемые трещины дополнительных порций пластичного вещества.

Целесообразно при этом в качестве пластичного вещества использовать пластилин. Это исключает необходимость в разработке специального вещества, ибо можно обойтись серийно выпускаемым и общедоступным пластилином со стандартными характеристиками, удовлетворяющими требованиям заявляемого способа.

Целесообразно пластичное вещество в формируемые трещины подавать периодически фиксированными порциями. Это существенно снижает влияние на конечный результат неучитываемых факторов и облегчает обработку результатов измерения (благодаря идентичности единиц измерения).

Целесообразно до разрыва горной породы по линиям пересечения формируемых трещин и скважин выполнять концентраторы напряжений. Это практически исключает влияние случайных факторов на ориентацию формируемой трещины.

Задача решается также тем, что устройство для оценки напряженного состояния горных пород, включающее трубу с внешней резьбой на конце, герметизатор из эластичного материала, заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, систему нагнетания пластичного вещества в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора, согласно предлагаемому техническому решению снабжено кольцом с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, на болты с обеих сторон кольца надеты пружины. При этом в кольцо вмонтирован датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе, соединен с регистратором. На трубу и кольцо навинчены втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями с обоих концов и коническим выступом на одном конце. На каждой из втулок последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, при этом втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, а расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца и длины внешней резьбы трубы.

Наличие в устройстве кольца с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, позволяет деталям, находящимся по обе стороны формируемой трещины, раздвигаться в момент разрыва горной породы. Это существенно снижает влияние конструкции устройства на давление, при котором в стенках скважины возникает трещина. Пружины, надетые на болты с обеих сторон кольца, удерживают кольцо на нужном расстоянии от торца трубы и позволяют вкручивать трубу и кольцо во втулки даже в тех случаях, когда втулки оказываются повернутыми друг относительно друга на неопределенный угол. Это значительно снижает требования к точности установки втулок в скважине, что облегчает эксплуатацию устройства. Вмонтированный в кольцо датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе и соединенный с регистратором, обеспечивает измерение давления в центре формируемой трещины. Навинченные на трубу и кольцо втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями на обоих концах и коническим выступом на одном конце, на каждую из которых последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, герметизируют скважину и концентрируют напряжение по заданной линии. Из-за того, что втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, герметизированный участок скважины оказывается предельно малым. Это существенно снижает влияние различных факторов (в частности, естественных трещин) на ориентацию плоскости разрыва горной породы. За счет того, что расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца, становится возможным вкручивать трубу и кольцо во втулки независимо от взаимного угла поворота втулок. Так как длина внешней резьбы трубы также меньше расстояния между внутренней резьбой контактирующих втулок, ее вместе с кольцом можно прокручивать (проходить) через втулки (с произвольным взаимным углом поворота) для формирования трещины на другом участке скважины. В результате расширяется область применения устройства за счет возможности разрыва горной породы на любом расстоянии от забоя скважины и измерения давления в центре формируемой трещины.

Целесообразно диаметр распорного кольца с прорезью в исходном состоянии выполнять меньшим, чем диаметр большего основания конического выступа втулки. Это обеспечивает беспрепятственную подачу устройства в скважину.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.

На фиг.1 показана схема реализации способа оценки напряженного состояния горных пород (далее - способ); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - общий вид устройства для оценки напряженного состояния горных пород (далее - устройство для реализации способа), продольный разрез; на фиг.4 - заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, разрез по оси.

Способ реализуют следующим образом.

Перпендикулярно стенкам выработки 1 (фиг.1, 2) бурят скважины 2, через которые формируют трещины 3 разрывом горной породы пластичным веществом, например, пластилином, в плоскостях, параллельных стенкам выработки 1. При этом измеряют давление пластилина, который подают в формируемые трещины 3 периодически фиксированными порциями. Определяют энергию, затрачиваемую на нагнетание в каждую из формируемых трещин 3 пластилина фиксированного объема, и по ней оценивают напряженное состояние горных пород.

Разрыв горной породы происходит суммарным усилием, обусловленным напряжениями в породном массиве и нагнетанием в формируемую трещину 3 пластилина. Поэтому давление разрыва, при котором формируют трещину 3, функционально зависит от напряженного состояния горных пород. Кроме напряженного состояния горных пород, на давление разрыва существенное влияние оказывают также режим нагнетания пластилина, параметры концентратора напряжения (выполняемые для задания ориентации плоскости разрыва), прочность горной породы, размеры и ориентация формируемой трещины 3. В предлагаемом способе влияние различных факторов (не обусловленных напряжением) на конечный результат нейтрализуют идентичностью воздействия на породный массив во всех точках измерения. При этом напряженное состояние горных пород оценивают по относительному изменению определяемых величин, полученных для разных точек в фиксированное время и для одних и тех же точек в различные моменты времени. Кроме того, чтобы минимизировать влияние указанных факторов и тем самым повысить чувствительность и точность способа, применяют следующую методику проведения измерения и обработки их результатов. Пластилин нагнетают с расходом несколько кубических миллиметров в секунду. Такой малый расход необходим для того, чтобы непосредственно во время подачи пластилина давление внутри формируемой трещины 3 успевало перераспределяться, от чего оно не зависело бы от режима нагнетания (давление пластичного вещества практически не изменяется от изменения его расхода в пределах малых значений). При обработке результатов измерения критическое (максимальное) давление разрыва, соответствующее возникновению трещины 3 (разрыву горной породы в начальный момент), и его скачок после разрыва горной породы не учитывают. Этим исключают влияние параметров концентратора напряжения и частично прочности горной породы на конечный результат. При ориентации плоскостей разрыва параллельно стенкам выработки усилия от нагнетания пластилина в формируемые трещины 3 совпадают с усилиями, обусловленными напряженным состоянием горных пород.

Напряженное состояние горных пород оценивают по параметрам нагнетания пластилина, например, по энергии W, затрачиваемой на нагнетание в каждую из формируемых трещин 3 пластилина, которую определяют из выражения

где n - количество порций пластилина, суммарный объем которых подан в формируемую трещину 3;

Р_n - давление, при котором в формируемую трещину 3 подают n-ю порцию пластилина;

V_n - объем пластилина в n-й порции.

Отметим, что для повышения точности определения энергии W суммарный объем поданного пластилина делят на равные по объему 50÷100 порций, а в выражении (1) давление P₁ принимают равным его значению, которое оказывается в конце нагнетания первой порции пластилина объемом V₁. Этим исключают из расчетов скачок давления, связанный с возникновением начальной трещины и обусловленный прочностью горной породы, а также величиной концентрации напряжений по линии пересечения плоскости разрыва со скважиной (параметрами концентратора напряжений). При проведении разрывов по указанной методике

где W₀ - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину 3 пластилина фиксированного объема при отсутствии напряжения σ в зоне формирования трещины 3 (σ=0);

К - коэффициент, зависящий от механических свойств горных пород в породном массиве.

Плоскость разрыва ориентируют перпендикулярно вектору силы, разрывающей горную породу. Поэтому в первом приближении можно считать, что расслоение породного массива (образование одиночной трещины протяженностью в несколько метров), обусловленное только напряженным состоянием горной породы, происходит при условии достижения величиной напряжения предела прочности горной породы на растяжение. При этом энергия W, затрачиваемая на подачу фиксированного объема пластилина, оказывается минимальной W_min (не расходуется на разрыв горной породы). Для такого случая выражение (2) принимает следующий вид

где σ_р - прочность горной породы на растяжение.

Разделив (2) на (3) и после соответствующих преобразований, принимая во внимание, что W_min≪W₀ и W₀-W_min≈W₀, имеем

В выражении (4) предел прочности на растяжение σ_р находят по известным методикам (как правило, эта величина является известной). W₀ определяют на извлеченном из массива блоке горной породы (можно на образце), W - по результатам измерений при формировании трещин 3.

Отметим, что величину σ в выражении (4) нельзя рассматривать как абсолютное значение одной из компонент тензора поля напряжений (из-за большой неточности, обусловленной сложным характером поля напряжений вблизи горной выработки). Вместе с этим она напрямую связана с вектором напряжения, который оказывает решающее влияние на процесс дезинтеграции горных пород. Поэтому по ее значению можно оценивать напряженное состояние горной породы и отслеживать его изменение во времени.

Оценка напряженного состояния горных пород по энергии W (интегральной характеристике) нагнетания пластилина фиксированного объема существенно снижает влияние случайных факторов (скачки во время возникновения и в процессе роста трещины 3), на которые реагирует давление.

В качестве пластичного вещества, которым формируют трещину 3, используют пластилин по двум причинам. Во-первых, свойства пластилина не изменяются во времени и под действием высокого давления. Это позволяет подавать его в формируемые трещины 3 длительное время (периодически), исчисляемое месяцами (даже годами), и поэтому по различию в энергиях W нагнетания фиксированных объемов пластилина на разных участках породного массива можно судить об изменении напряжений во времени и пространстве за большой период. Следует также отметить, что в подавляющем большинстве случаев пластилин не смешивается (не растворяется и не вступает в химическую реакцию) с растворами (кроме органических соединений), которые присутствуют в породном массиве. Во-вторых, пластилин является общедоступным и обладает характеристиками, различие которых практически не сказывается на результатах измерения. Связано это с тем, что он изготавливается промышленностью в достаточно большом количестве и по ГОСТу. Поэтому отпадает необходимость в разработке и изготовлении специального вещества, а также определении его свойств перед использованием.

В предлагаемом способе скважины 2 бурят перпендикулярно стенкам выработки 1 и проводят через них разрывы в параллельных между собой и отстоящих друг от друга на заданных расстояниях плоскостях. В этом случае формирование трещин 3 осуществляют перпендикулярно скважинам 2 по известным технологиям, применяемым на горных предприятиях, что значительно облегчает реализацию способа. Расстояния между плоскостями в пределах одной скважины 2 выбирают такими, чтобы отсутствовало взаимное влияние формируемых трещин 3 друг на друга. Согласно исследованиям это расстояние не должно быть меньше максимального размера (предельного расстояния между границами) формируемой трещины 3. Путем вариации расстояниями между плоскостями в различных скважинах 2 можно, исключая взаимное влияние формируемых трещин 3, плоскости разрыва располагать на сколь угодно малом расстоянии друг относительно друга (трещины 3, формируемые в разных удаленных скважинах 2, друг на друга не влияют).

Для минимизации влияния неучитываемых факторов на конечный результат пластилин в формируемые трещины 3 подают периодически фиксированными порциями. Особое значение такой режим нагнетания пластилина приобретает в случае, когда интервал времени между подачей порций пластилина исчисляется днями, неделями или даже месяцами. Отметим, что при этом устройство для реализации способа из скважины 2 не извлекают (зону разрыва горной породы оставляют герметизированной). Идентификация воздействия на породный массив облегчает также обработку результатов измерения из-за сокращения количества переменных в расчетных формулах.

Чтобы снизить влияние случайных факторов на ориентацию формируемой трещины 3, по линии пересечения ее и скважины 2 выполняют концентраторы напряжений (на фиг.1, 2 не показаны). Согласно опыту проведения разрывов для решения различных задач горного производства лучше всего в качестве концентратора напряжения использовать инициирующую щель в виде диска со смыкающими поверхностями или заостренное по внешней окружности раздвижное кольцо, которое внедряют в стенки скважины 2.

Устройство (фиг.3) для реализации способа включает трубу 4 с ручкой 5, внешней резьбой 6 на конце и внутренней резьбой 7. В трубу 4 вкручен винт 8 с ручкой 9. На свободном от винта 8 конце трубы 4 установлено кольцо 10 с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями (на фиг.3 не обозначены), через которые пропущены болты 11, связанные с концом трубы 4 резьбовым соединением (на фиг.3 не обозначено). На болты 11 с обеих сторон кольца 10 надеты пружины 12. В кольцо 10 вмонтирован датчик 13 давления, кабель 14 от которого пропущен последовательно через отверстие (на фиг.3 не обозначено) в одном из болтов 11, боковое отверстие 15 в трубе 4, канавку 16 вдоль внешней поверхности трубы 4 и через разъем 17 на конце трубы 4 соединен с регистратором 18. На трубу 4 и кольцо 10 навинчены втулки 19 с внутренней резьбой (на фиг.3 не обозначена), коническими углублениями 20 на обоих концах и коническим выступом 21 на одном конце. На каждой из втулок 19 последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо 23 с прорезью 24 (фиг.4) и герметизатор 25 из эластичного материала. Втулки 19 контактируют между собой большими основаниями конических выступов 21. Расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок 19 больше толщины кольца 10. Диаметр распорного кольца 23 с прорезью 24 в исходном состоянии меньше диаметра большего основания конического выступа 21 втулки 19. Труба 4 заполнена пластилином 26. Устройство подано в скважину 2 для формирования трещины 3.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Сборку устройства осуществляют непосредственно в скважине 2 по частям. Вначале в скважину 2 подают втулки 19 с последовательно установленными на них распорными кольцами 23 и герметизаторами 25 таким образом, чтобы конический выступ 21 одной втулки 19 контактировал с коническим выступом 21 другой втулки 19. До подачи последующих втулок 19 к предыдущим втулкам 19 прикладывают усилие в направлении забоя скважины 2 (например, трубой). Благодаря этому втулки 19 вдавливаются в герметизаторы 25 и коническими выступами 21 распирают распорные кольца 23, пытаясь вдавить их в стенки скважины 2. При этом герметизаторы 25, будучи в контакте с распорными кольцами 23, также распираются коническими выступами 21 и прижимаются к горной породе. В результате по линии контакта распорных колец 23 со стенками скважины 2 начинают концентрироваться напряжения, а за пределами распорных колец 23 скважина 2 герметизируется. После заполнения скважины 2 втулками 19 с установленными на них распорными кольцами 23 и герметизаторами 25 до нужного уровня (можно до устья скважины 2) в первую от устья скважины 2 втулку 19 вводят остальную часть устройства (трубу 4 с установленными на ней деталями). Затем с помощью ручки 5 во втулки 19 вкручивают трубу 4 и кольцо 10 таким образом, чтобы они (труба 4 и кольцо 10) оказались по разные стороны контакта конических выступов 21 втулок 19. Вращением винта 8 ручкой 9 в зону, ограниченную трубой 4 и кольцом 10, нагнетают пластилин 26 под давлением, которое измеряют датчиком 13 давления и записывают регистратором 18. Под действием давления пластилина 26 контактирующие между собой втулки 19 расходятся и увеличивают воздействие распорных колец 23 на горную породу. В результате на контакте одного из распорных колец 23 (не имеет значения какого) со стенками скважины 2 возникает трещина 3. Дальнейшее развитие трещины 3 происходит под действием давления проникающего в нее пластилина 26. Скорость вращения винта 8 (число оборотов в минуту) устанавливают, исходя из требований к расходу пластилина 26, и определяют по секундомеру. Количество m оборотов винта 8 вычисляют по заданному объему V пластилина из выражения

где D - диаметр винта 8;

Δh - шаг резьбы винта 8.

Подав в формируемую трещину 3 нужный объем V пластилина 26, трубу 4 с установленными на ней другими деталями дальнейшим ее вращением перемещают на следующий участок. Отметим, что если трубу 4 нужно переместить к забою скважины 2, то участки измерения (втулки 19) проходят вращением ее в одном направлении (например, по часовой стрелке), а если от забоя скважины 2, то в противоположном направлении (против часовой стрелки). Сформировав все запланированные трещины 3, устройство извлекают из скважины 2.

В известных устройствах (в частности, в аналоге) герметизирующие скважину элементы, которые устанавливают по обе стороны плоскости разрыва, объединены между собой жесткой связью (например, корпусом). Поэтому подобные устройства проявляют эффект арматуры, препятствующей появлению разрывов. В таких случаях трещина возникает при давлениях больших, чем прочность горной породы. В предлагаемом устройстве этот недостаток отсутствует благодаря кольцу 10, способному перемещаться вдоль оси относительно трубы 4. Кольцо 10 и труба 4 объединяют детали, которые устанавливают по разные стороны формируемой трещины 3. Пружины 12 выполняют две функции. Во-первых, они удерживают кольцо 10 на нужном расстоянии от торца трубы 4. Во-вторых, благодаря пружинам 12 кольцо 10 может сближаться либо расходиться с трубой 4 только при наличии определенного усилия (несравненно меньшего, чем требуется для разрыва горной породы). Последнее условие необходимо для установки трубы 4 и кольца 10 по обе стороны формируемой трещины 3. Суть состоит в следующем. Допустим, трубу 4 с кольцом 10 перемещают сверху вниз (фиг.3) с тем, чтобы установить их между двумя контактирующими втулками 19 (первой и второй от устья скважины 2 на фиг.3). В первую втулку 19 после прохождения через нее кольца 10 начинают вкручивать трубу 4. Кольцо 10 доходит до резьбы второй втулки 19 и упирается в нее. Из-за того что вторая втулка 19 повернута относительно первой на произвольный угол, начало внешней резьбы кольца 10, как правило, не совпадает с началом резьбы второй втулки 19. Чтобы кольцо 10 начало вкручиваться в резьбу второй втулки 19, его нужно повернуть на соответствующий угол, прикладывая небольшое усилие в направлении забоя скважины 2. Усилие обеспечивается пружинами 12 между кольцом 10 и трубой 4, а возможность поворота кольца 10 - его способностью сближаться или расходиться с трубой 4 (до вхождения в резьбу второй втулки 19 кольцо 10 при вращении не перемещается, а труба 4 при вращении перемещается вдоль оси устройства). Аналогичным образом можно проходить все пары втулок 19. При этом не имеет значения, в каком направлении перемещают трубу 4 с установленными на ней деталями и что начинает взаимодействовать с резьбой втулки 19 в первую очередь (труба 4 или кольцо 10). Для измерения давления пластилина используют стандартный датчик 13 давления, например тензопреобразователь Д25, который монтируют в кольцо 10. Резьбу внутри втулки 19 нарезают на ее конце со стороны конического выступа 21. Длину резьбы выбирают немного большей толщины кольца 10. Делают это для облегчения прохождения через втулки 19 трубы 4 и кольца 10 (требуется меньшее число оборотов). За пределами резьбы внутренний диаметр втулок 19 выполняют таким, чтобы не создавалось препятствие для прохождения через них трубы 4 с установленными на ней деталями. Для этой же цели с торцов втулок 19, противоположных коническим выступам 21, выполняют конические углубления 20 (срезают торцы, за которые могут цепляться кольцо 10 и труба 4). При контакте втулок 19 конические углубления 20 со стороны конического выступа 21 образуют щель, в которую проникает пластилин 26, усиливая воздействие на распорное кольцо 23. Распорное кольцо 23 изготавливают из пружинной стали. Размеры прорези 24 в нем практически не влияют на его работу. Угол заострения по внешней окружности распорного кольца 23 выбирают, исходя из прочности горной породы, а также твердости стали, из которой его изготавливают. Расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок 19 делают больше толщины кольца 10 и длины внешней резьбы трубы 4. За счет этого ни кольцо 10 и ни труба 4 одновременно в обе контактирующие втулки 19 не вкручиваются (благодаря этому втулки 19 могут быть повернуты друг относительно друга на произвольный угол). Герметизатор 25 представляет собой трубку из эластичного материала. Он выполняет три функции. Во-первых, задает расстояние между втулками 19. Во-вторых, удерживает распорные кольца 23 от перемещения вдоль оси устройства до их контакта с горной породой. В-третьих, герметизирует скважину 2 на соответствующих участках. Из-за контакта втулок 19 между собой со стороны конического выступа 21 размеры герметизированного участка (между распорными кольцами 23) скважины 2 оказываются минимальными. Это существенно снижает влияние структуры (естественных трещин, плоскостей ослабления, различных включений) породного массива на ориентацию формируемой трещины 3.

Диаметр распорного кольца 23 с прорезью 24 в исходном состоянии выбирают меньше, чем диаметр большего основания конического выступа 21 втулки 19. Благодаря этому распорные кольца 23 во время перемещения втулок 19 вдоль скважины 2 не цепляются за горную породу (произвольного распора в случайном месте не происходит).

Заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют проводить диагностику породного массива по реакции горных пород на силовое воздействие в виде разрыва пластичным веществом. Они могут применяться на любых горных предприятиях с опасными условиями ведения работ, обусловленными высоким горным давлением.

1. Способ оценки напряженного состояния горных пород, включающий бурение скважины, формирование трещины разрывом горной породы, измерение давления разрыва, отличающийся тем, что разрыв горной породы осуществляют пластичным веществом в плоскостях, параллельных стенкам выработки, при этом оценку напряженного состояния горных пород проводят по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую скважину.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценку напряженного состояния горных пород осуществляют по формуле

где σ - напряжение в зоне формирования трещины;

σ_р - прочность горной породы на растяжение;

W - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема в зоне оценки напряжения;

W₀ - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема при отсутствии напряжения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрыв горной породы осуществляют пластичным веществом, свойства которого постоянны во времени и не зависят от горного давления.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве пластичного вещества используют пластилин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластичное вещество в формируемые трещины подают периодически фиксированными порциями.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что до разрыва горной породы по линиям пересечения формируемых трещин и скважин выполняют концентраторы напряжений.

7. Устройство для оценки напряженного состояния горных пород, включающее трубу с внешней резьбой на конце, герметизатор из эластичного материала, заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, систему нагнетания пластичного вещества в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора, отличающееся тем, что оно снабжено кольцом с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, на болты с обеих сторон кольца надеты пружины, при этом в кольцо вмонтирован датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе, соединен с регистратором, причем на трубу и кольцо навинчены втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями с обоих концов и коническим выступом на одном конце, на каждой из втулок последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, при этом втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, а расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца и длины внешней резьбы трубы.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что диаметр распорного кольца с прорезью в исходном состоянии выполнен меньшим, чем диаметр большего основания конического выступа втулки.