способ определения направлений действия главных нормальных напряжений в условиях объемного напряженного состояния горного массива

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ ДЕЙСТВИЯ ГЛАВНЫХ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОБЪЕМНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА, включающий бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях трех кустов из трех параллельных скважин, размещение в скважинах источников и приемников упругих колебаний и измерительных устройств, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, отличающийся тем, что кусты скважин бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон в котором принимают за начальное нулевое направление, устанавливают датчики упругих колебаний в скважинах и измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве в каждом кусте скважин в точках измерений, расположенных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка, вычисляют направления действия максимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях по формуле



где t⁰_I,II,III , t⁶⁰_I,II,III , t¹²⁰_I,II,III - времена прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренные в трех кустах скважины соответственно в направлении 0^o, 60^o и 120^o от первоначального нулевого направления, а направления действия главных нормальных напряжений массива определяют по следующим формулам:

;

= ( 90) ;



где , - направления действия главных нормальных горизонтальных напряжений в массиве;

g - направление действия главного нормального вертикального напряжения массива.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ определения направлений действия главных напряжений в массиве горных пород, включающий размещение источника и приемников упругих колебаний в выработке горного массива, возбуждение упругих колебаний взрывом или механическим ударом, измерение скоростей распространения поперечных волн и их сравнение между собой. Источник и приемники упругих колебаний располагают в плоскости осей действия изучаемых главных напряжений и измеряют скорости распространения волн, поляризованных перпендикулярно плоскости осей действия главных напряжений. Результаты измерений наносят на график с осями скорость-азимут распространения волн и по характерным особенностям индикатрисы выделяют направление действия главных напряжений в массиве [1].

Недостаток указанного способа - низкая точность, связанная с индификацией поперечных волн, анализом волновых картин и определением положения азимута осей максимальных и минимальных скоростей в массиве горных пород. Низкая точность определения обусловлена также тем, что измерения проводят по отношению к одной плоскости, приемники сейсмических волн располагают на неравном расстоянии от источника. Азимут линии источник-приемник выбирают А₁ = 45^о, А₂ = 90^о, А₃ = 180^о. Низкая точность определений связана с тем, что в массиве горных пород при действующих напряжений 10 - 30 МПа изменение скорости поперечной волны с ростом напряжений значительно меньше, чем для продольной волны.

Известен принятый за прототип способ определения направлений действия главных нормальных напряжений в массиве, заключающийся в том, что в массиве горных пород с поверхности выработки в трех ортогональных плоскостях бурят три параллельных шпура по схеме прямоугольной розетки скоростей, в них размещают датчики ультразвуковых волн, определяют скорости распространения продольных волн между каждой парой датчиков и по максимальным и минимальным значениям скоростей определяют ориентацию эллипса скоростной анизотропии. Направление длинной оси эллипса совпадает с направлением максимального нормального напряжения. Построение параметров индикатрис скоростей распространения упругих волн в трех ортогональных плоскостях позволяет определить направления действия главных напряжений в массиве [2].

Однако указанный способ обладает низкой точностью определения направлений действия главных напряжений в массиве, связанной с погрешностями определе- ний параметров индикатрис в соответствующих координатных плоскостях, особенно в породах, в которых скорости с увеличением напряжений изменяются всего на 10-15 %. Погрешности определения направлений действия главных напряжений данным способом могут достигать 20 и более градусов.

Цель изобретения - создание способа, который позволяет повысить точность определения направлений действия главных нормальных напряжений в массиве горных пород.

Указанная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях трех кустов из трех параллельных скважин, размещение в скважинах источников и приемников упругих колебаний и измерительных устройств, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, скважины бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон, в котором принимают за начальное нулевое направление. Измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве в каждом кусте скважин в точках измерений, расположенных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка. Вычисляют направления действия максимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях. Определяют направления действия главных нормальных напряжений в условиях объемного напряженного состояния массива.

Сопоставительный анализ предполагаемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известных тем, что скважины бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон в котором принимают за начальное нулевое направление. При этом обеспечива- ются равные базы измерений между скважинами и равные углы между направлениями измерений, равные 60^о, т.е. обеспе- чивается равносторонняя схема измерений.

В каждой точке измерения в местах установки измерительных устройств измеряют время прохождения упругих волн в межскважинном пространстве. Направления действия нормальных напряжений в массиве относительно однородных пород определяют по изменению времени прохождения упругих волн в межскважинном пространстве. Основной причиной изменения времени прохождения упругих волн в межскважинном пространстве являются деформации, возникающие в результате закрытия пор и уплотнения микротрещин, что приводит к увеличению плотности породы. Степень закрытия пор и микротрещин зависит от их ориентировки по отношению к действующим нормальным напряжениям в массиве. Наибольший эффект закрытия наблюдается для пор и 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 пор и трещин, ориентиро- ванных 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 в каком-либо направлении зависит от изменения деформации (напряжений) в этом направ- лении, т.е. t=K.

При расположении измерительных устройств в трех скважинах, пробуренных в плоскости относительно друг друга под углом 60^о деформации в каком-либо направлении могут быть определены следующим образом:

= + cos2

В уравнение входят три неизвестные величины: _max, _min и . Для их определения необходимы три уравнения, которые можно получить, выполнив три измерения времени прохождения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам равностороннего треугольника и определив при этом три значения t₁⁰, t₂⁶⁰, t₃¹²⁰.

Из аналитического решения уравнения, представляя три измеренные значения t₁⁰, t₂⁶⁰ и t₃¹²⁰, можно получить выражение для определения значения угла между направлением максимальной деформацией (напряжений) и начальным нулевым направлением:

tg2 =

Измерения времени распространения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам равностороннего треугольника, можно применять во всех случаях, когда направление действия нормальных напряжений неизвестно даже приближенно.

Не известен способ определения направлений действия нормальных напряжений в массиве горных пород, основанный на измерении времени прохождения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам равностороннего треугольника.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2). В массиве горных пород из горной выработки в трех ортогональных плоскостях бурят три куста параллельных скважин по вершинам равностороннего треугольника. Одну из сторон равностороннего треугольника, например направление между скв. 1-2, принимают за начальное нулевое направление, которое одновременно принимают за ось х или y. Во все кусты скважин в каждой точке измерений устанавливают датчики упругих колебаний. В скв. 1 помещают излучатель И₁ и приемник П₁ упругих волн, в скв. - приемник П₂и излучатель И₂, в скв. 3 - приемник П₃ и излучатель И₃ упругих колебаний. Излучатели и приемники располагаются в скважинах соосно друг другу.

Установку датчиков во всех кустах скважин осуществляют на одинаковом удалении от центра выработки, так что точки измерений находятся на гранях представляемого куба. Центром представляемого куба является точка стояния бурового станка. Началом определения расстояния до точек измерения, расположенных на гранях представляемого куба принимают точку стояния бурового станка. Расстояние между скважинами L (база измерений) принимают равным L 10 D, где D - диаметр скважин.

Перед проведением ультразвуковых измерений три устройства Y₁, Y₂, Y₃ с датчиками с помощью досылочных штанг устанавливают в скважины (фиг. 3) и передвигают по ним в требуемую точку массива. Расстояние до точки измерения определяют от точки стояния бурового станка. Прижим датчиков к стенкам скважин производят подачей сжатого воздуха Р с помощью ручного насоса. Измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве проводят в каждой точке измерений. Для этого к прибору подключают электрокабели датчиков И₁ и П₂ и измеряют время распространения продольной волны t_1-2^o между скв. 1-2. Затем к прибору подключают электрокабели датчиков И₂ и П₃ и определяют t_2-3⁶⁰ между скв. 2-3, далее к прибору подключают электрокабели датчиков И₃ и П₁ и фиксируют t_1-3¹²⁰ между скв. 1-3. Аналогичные измерения проводят во всех кустах скважин.

Расположение датчиков в скважинах соосно друг другу (максимальные оси диаграмм направленности датчиков строго направлены от излучателя до приемника) и использование схемы равносторонних измерений позволяет повысить точность ультразвуковых измерений. Кроме того, повышение точности измерений достигается путем переключения датчиков И П₁, П И₂, П И₃, т.е. обеспечивается дополнительное прозвучивание межскважинного пространства в направлении 0^о, 60^о, 120^о относительно первоначального направления.

Для возбуждения и регистрации сигналов был использован ультразвуковой прибор УК-10 ПМС и датчики с пьезоэле- ментами, работающими на резонансных частотах 25-60 кГц. Погрешность измерения времени распространения упругих волн прибором УК-10 ПМС составила 0,5%.

Используя измеренные времена прохождения продольных волн между скважинами каждого куста t_1-2⁰, t_2-3⁶⁰, t_1-3¹²⁰, направления действия максимальных нормальных напряжений в массиве в трех ортогональных плоскостях определяют по следующей формуле:

_1,2,3= arctg где t_I,II,III⁰, t_I,II,III⁶⁰, t_I,II,III¹²⁰ - времена прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренные в трех кустах скважин соответственно в направлении 0^о, 60^о, 120^о от первоначального нулевого направления.

Используя направления действия нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, вычисляют направления действия главных нормальных напряжений для условий объемного напряженного состояния массива по следующим формулам:

= arccos

= arccos

= 90^о, где t_I,II,III⁰ - времена прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренные в каждом кусте скважин в нулевом направлении, мкс; _1,2,3 - направления действия максимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, градус.

Предлагаемый способ был использован на шахте 2 бис Никитовского ртутного комбината, где была пройдена в нетронутом массиве тупиковая горизонтальная выработка площадью сечения S = 15 м², в котором была оборудована наблюдательная станция. В районе проведения наблюдений какие-либо горные работы не производились. На наблюдательной станции в кровле и стенке горной выработки, сложенном песчаниками относительно однородного строения, в трех ортогональных плоскостях были пробурены три куста из трех параллельных скважин в глубину массива до 10 м. Бурение скважин осуществлялось буровым станком НКР с применением победитовых коронок. Скважины диаметром 76 мм бурились по вершинам равностороннего треугольника, при этом углы между скважинами в одной плоскости составили 60^о, а расстояние между скважинами (база измерений) - 1 м. Точки измерений во всех кустах скважин располагались на равном расстоянии от точки стояния бурового станка.

В три скважины каждого куста в каждой точке измерений устанавливали датчики упругих колебаний, при этом излучатели и приемники располагали в скважинах соосно друг другу. Затем проводили измерения времени прохождения продольных волн между скважинами, т.е. t_I,II,III⁰, t_I,II,III⁶⁰, t_I,II,III¹²⁰.

Направления действия максимальных нормальных напряжений в нетронутом массиве в трех ортогональных плоскостях вычисляли по следующей формуле:

_1,2,3= arctg где t_I,II,III^0,60,120 - времена прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренные в каждом кусте скважин в направлении 0^о, 60^о, 120^о относительно первоначального нулевого направления, мкс.

При определении углов использовали следующие соотношения знаков по соответствующим четвертям для угла :

_I= arctg ; _II= 90 - arctg

_III= 90+ arctg ; _IV= 180 - arctg

Направления действия главных нормальных напряжений для условий объемного напряженного состояния массива определяли по следующим формулам:

= arccos

= arccos

= + 90^o, где t_I,II,III⁰ - времена прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренные в каждом кусте скважин в нулевом направлении, мкс; _1,2,3 - направления действия максимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, градус.

В качестве генератора и регистрирующего прибора был использован прибор УК-10 ПМС. Для измерений использовали датчики с пьезоэлементами, работающими на резонансной частоте 25 кГц. Погрешность измерений времени распространения продольных волн между скважинами не превышала 1-2 мкс.

В качестве базового объекта для определения направления действия нормальных напряжений в массиве был использован метод торцевой разгрузки, разработанный ВНИМИ (Методические указания по применению метода разгрузки для измерения напряжений в массиве горных пород. Л.: ВНИМИ, 1972, 36 с.).

Метод торцовой разгрузки использовался в скв. 1, пробуренной в кровле в направлении оси z и в скв. 2, пробуренной в стенке выработки в направлении оси y (фиг. 1 и 2).

При измерениях деформаций торца керна по методу разгрузки использовалась трехдатчиковая розетка с ориентировкой тензодатчиков под углами 0^о, 45^о, 90^о. По этой схеме расположения тензодатчиков направления действия максимальных деформаций вычисляли по следующей формуле:

_в= arctg где ⁰, ⁴⁵, ⁹⁰ - относительные деформации, измеренные на торце керна скважин по направлениям 0^о, 45^о, 90^о от условного нулевого направления; _b - вычисленный угол между направлением ^o и максимальной деформацией торца керна скважин.

Направления действия максимальных деформаций (напряжений) в массиве в плоскостях xy и xz определяли, используя следующие соотношения знаков по четвертям для тензотермической розетки (фиг. 4):

I - _1,2= _в= arctg

II - _1,2= 90^o - _b;

III - _1,2 = 90^o + _b;

IV - _1,2= 180^o - _b.

Результаты определений направлений действия максимальных нормальных напряжений в массиве с использованием базового и предлагаемого способов приведены в табл. 1-3.

Судя по данным таблиц, использование предлагаемого способа позволило повысить точность определения направлений действия максимальных нормальных напряжений в массиве по сравнению с базовым. Погрешность определения направлений действия максимальных нормальных напряжений в массиве базовым способом при надежности Р = 0,95 составила _1,2= 9^о, предлагаемым способом - ₁= 2^о и ₂₃= 4^о.

Результаты определений направлений действия главных нормальных напряжений в массиве, полученные с помощью предлагаемого способа, приведены в табл. 4.

Из таблицы видно, что использование предлагаемого способа позволило повысить точность определения направлений действия главных нормальных напряжений в массиве. Погрешность определения направлений действия главных нормальных напряжений в массиве предлагаемым способом при надежности Р = 0,95 не превышала 3^о.

Полученные направления действия главных напряжений в массиве были использованы при выборе схем расположения выработок при отработке новых горизонтов.