Способ определения напряженного состояния массива горных пород

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 51) 4 Е 21 С 39 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ М 26 В. С. Ям ихнюк и иков, И. Буль тельство СССР С 39/00, 1982.льство СССР С 39/00, 1982,ИЯ НАПРЯССИВА ГОРбласти горповышени нетронутог ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ВТОРСНОМЪ( СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАНЫХ ПОРОД(57) Изобретение относится кного дела. Цель изобретения -точности измерений. Из зонь 19,801323711 А массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают ез него образец горной породы. Производят механическое нагружение на него с постоянной скоростью. Определяют нагрузки, соответствующие скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца. В качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения. По градиенту судят о напряженном состоянии массива горных пород. Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам, определяют путем умножения значений, полученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрацйи напряжений. 3 ил.Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения напряжений в массиве горных пород.Целью изобретения является повышение точности измерений.На фиг. 1 изображена схема установки нагружения образцов; на фиг. 2 - кривые зависимости изменения скорости ультразвука в образцах от нагрузки; на фиг. 3 кривые зависимости изменения градиента ско рости ультразвука в образцах от нагрузки,Цифрами и буквами на чертежах обозначены: образец 1 горной породы, ультразвуковой преобразователь 3, обечайки 2, пружины 4, гидравлический пресс 5, манометр 6, регистратор 7 скорости ультразвука, арифметический блок 8, кривая 9 изменения скорости ультразвука образца, обладающего памятью, кривая 10 изменения скорости ультразвука образца, потерявшего память на действовавшие напряжения, кри. вая 11 изменения градиента скорости ультразвука образца, сохранившего память на действовавшие напряжения, кривая 12 изменения градиента скорости ультразвука образца, потерявшего память на действующие напряжения;уи ф -- скорость и градиент скорости ультразвука в образце соответственно; К - нагрузка на образец, МПа; К 1 - нагрузка на образец в точке перегиба зависимости (К) или в точке максимума зависимости.Способ осуществляют в следующей последовательности.В исследуемом массиве определяют направление главных напряжений и зону нетронутого массива (не показано). Затем из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения отбирают керн и изготавливают из него образцыгорной породы. Необходимость определения зоны нетронутого массива и отбора из него керна обусловлена тем, что такой образец не претерпел вторичных изменений напряженно-деформированного состояния, вызванных проведением горной зыработки. Образец 1 горной породы располагают между двумя парами обечаек 2, внутри которых размещают ультразвуковые преобразователи 3. Преобразователи 3 прижимают к обечайке 2 пружинами 4. Контакты между ультразвуковыми преобразователями 3, поверхностью обечаек и поверхностью образца 1 смазывают, например механическим вазелином или парафином. Сбечайки 2 вместе с образцом 1 устанавливают между плитами гидравлического пресса 5. Манометром 6 измеряют давление масла в гидросистеме пресса, пропорциональное напряжению К, одновременно измеряют время т прохождения ультразвуковых волн через образец 1. Время т определяют стандартными бетоноскопами, например УК ПМ или УКП. Образец 1 горной породы циклично или с постоянной скоростью нагружают до тех пор, пока не наступит его разрушение. ГЕо данным измерений определяют скорость 9 и градиент скорости 11 продольных ультразвуковых волн в образце 1 для каждой величины нагрузки, 5 а по моменту достижения им максимумасудят о напряженном состоянии исследуемого массива горных пород. Так как обра.зец в массиве находится в условиях объемного сжатия, то нагрузка, при которой градиент достигает максимума, соответствует разности максимальных и минимальных главных напряжений. С учетом того, что между максимальными и минимальными главными напряжениями в нетронутом массиве имеет место соотношение52= Оь 1 -ьопределяют значения максимальных главныхнапряжений в зависимости от величины на.грузки К в точке перегиба:201 - ч-2 К 1где К 1 - величина давления на образец, соответствующая характерной точке25 перегиба на графике зависимостискорости упругих волн от давления; К 1 = 10 - 11 МПа;- коэффициент Пуассона,В качестве арифметического блока 8 используют ЭВМ, например СММ. УстройЗ 0 ство связи с объектом (УСО) ЭВМ соединяют с цифровым выходом прибораУКПМ.Напряжения в частях массива, непосредственно прилегающих к горным выработкам,определяют путем умножения значений, по 35 лученных для нетронутого массива, на коэффициент концентрации напряжений, величи.на которого может быть рассчитана по зависимостям скорости ультразвуковых волнг(1) или интенсивности акустической эмиссии при бурении скважины 1(1) от глубиныскважины, пробуренной при определении зоны нетронутого массива.Физические предпосылки изобретения заключаются в следующем: установлено, чтоскорость упругих волн в образце Ч рас 45 тет с увеличением нагрузки, а градиент скорости Д снижается и приближается к нулю,(КОднако эксперименты проводились на образцах, давно извлеченных из массива и ужене обладающих механической памятью на50 действовавшие напряжения. Известны такжерезультаты опытов по определению скорости продольных волн в образцах сразу после извлечения из массива и через год после извлечения. Замечено, что скорость продольных волн в разгруженном образце с55 течением времени существенно уменьшается(на 20 - ЗОЯ). При этом необходимо учитывать, что горные породы имеют множество дефектов, в том числе дефектов второго порядка (микротрещин), которые име 1323711ют некоторую величину раскрытия. Величина раскрытия трещин уменьшается с увеличением нагрузки, перпендикулярной плоскости трещин. Давление, которому подвергаются горные породы в массиве, приводит к некоторому уменьшению величины раскрытия трещин, которая сохраняется в течение некоторого времени после извлечения из массива, а затем увеличивается до размеров, соответствующих полной разгрузке. Величина раскрытия микротрещин является определяющим фактором скорости упругих волн в образце.Формула изобретенияСпособ определения напряженного сос тояния массива горных пород, основанный на испытании образцов горных пород, сохранивших механическую память на действующие в горном массиве напряжения, включающий отбор образцов из горного массива, их механическое нагружение с постоянной скоростью и определение нагрузки, соответствующей скачкообразному изменению градиента акустической характеристики образца; по которой-судят о напряженном состоянии массива горных пород, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности из мерений, образец выбуривают из зоны нетронутого массива в направлении максимального главного напряжения, а в качестве акустической характеристики измеряют градиент скорости ультразвуковых волн вдоль оси максимального главного напряжения.Со Тех Тир И. ф сРедактЗаказ ВНИИ ий мнт 1 роц. ор А. Маковская2943,1361 И Государственного ко113035, Москваводственно-полиграфиц тавитель ред И. Вер аж 454 та СССР35, Раушпредприят омичевае Корректор А. ИльиПодписноео делам изобретений и открытская наб., д. 4/5ие, г. Ужгород, ул. Проектная