Способ определения напряжений в горных породах

(71) Государственный проектный институт горной химии(56) 1. Турчанинов И,А. и д ческие напряжения в земной тойчивость горных выработок "Наука", 1978, с. 23-31.2, Гупта Х. и др. Плотины и землетрясения. М., "Мир", 1979, с. 220- 224 (прототип). 1, 6 6 1 А. р. Тектоникоре и ус(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ГОРНИХ ПОРОДАХ, включающий определение направления трещин в пространстве и измерение в них параметровводного потока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения трудоемкости измерений при одновременном увеличении базы измерений выбирают системы трещин, ограничивающиетектонические блоки и пересекающиесяс подземной полостью, определяют длякаждой системы трещин зависимость во-.допоглощения и водоотдачи от времени,выделяют опорную систему трещин, характеризующуюся стабильными значениями водопоглощения и водоотдачи вовремени, и определяют значения напряжений в массиве горных пород по формул ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЖ ПИСАНИЕ ИЗ Ю,. - главные нормальные напряжения в массиве пород, МПа;В; - эмпирический коэффициент, учитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин, см; 6"; - коэффициент интенсивностинапряжений, определяемый из соотношения максимальнойФ амплитуды водопоглощения Е искомой системы трещин А к величине водопоглощения 8опорной системы трещин; С "У - эмпирический коэффициент,учитывающий влияние упругих деформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/МПа; Й; - расход воды через искомуюсистему трещин на .фиксируемый момент времени, смз/с; 11, - коэффициент вязкости воды,кгс с/см 2; у - объемный вес воды, кгс/см; М - мощность пласта пород между системами водопроводящих трещин, см; йН - изменение напора воды при изменении степени раскрытия трещин, см; л - коэффициент Пуассона пород.й,.В =5,46рМ где1110Изобретение относится к техникеопределения физических свойств породпутем измерения деформаций и можетбыть использовано, например, при подземной разработке полезных ископаемых,а также при инженерном обосновании5строительства гидротехнических сооружений (плотин),В классе деформационных способовопределения напряжений в массиве горныхпород известны две группы: микродеформационные, именуемые обычно тензометрическими или механическими, имакродеформационные 1.13.База измерения способами первойгруппы исчисляется обычно сантиметрами, база измерений способами второйгруппы составляет от 0,5 м до многихкилометров. Все деформационные способы основаны на измерении деформаций горных пород и последующем вычислении напряжений по измеренным деформациям с помощью аналитического аппа"рата механики, который применительнок макродеформационным способам разработан еще недостаточно четко.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является способ определения напряжений в горныхпородах, включающий определение направления трещин в пространстве иизмерение в них параметров водногопотока, При этом герметизируют участок скважины и нагнетают в него водупод давлением до резкого падения давления, соответствующего моменту гид- З 5равлического разрыва стенок скважины.По величине давления до и после разрыва и по ориентации образовавшейсятрещины определяют величину и направление минимального главного нормаль Оного напряжения 23,.Однако данный способ трудоемок,требует применения специального дорогостоящего оборудования и может применяться только на небольших базахизмерений.Цель изобретения - увеличение базыизмерений и снижение трудоемкости.Указанная цель достигается тем,что согласно способу определения 50напряжений в горных породах, включа-ющему определение направления трещинв пространстве и измерение в них параметров одного потока, выбирают системы трещин, ограничивающие тектонические блоки горных пород и пересекающиеся с подземной полостью,определяют для каждой из систем тре 899 2щин зависимость водопоглощения и водоотдачи от времени, выделяют опорную систему трещин, характеризующуюся стабильными значениями параметров водопоглощения и водоотдачи во времени, и определяют значения напряжения в массиве по формуле- главные нормальные напряжения в массиве пород, МПа;8, - эмпирически коэффициент,учитывающий относительныеизменения расхода потока прираскрытии трещин, см;С - коэффициент интенсивностинапряжений, определяемый изсоотношения максимальной амплитуды водопоглощения искомой системы трещин А к величине водопоглощения 6 опорной системы трещин;Ф - эмпирический коэффициент,учитывающий влияние упругихдеформаций пород на изменение пустотности при созданииизбыточных давлений воды втрещинах, см/ИПа;О; - расход воды через искомуюсистему трещин на фиксируемый момент времени, смз /с;1 - коэффициент вязкости воды,кгс с/см (величина постоянная для воды, имеющей определенную температуру и минерализацию);г - объемный вес воды, кгс/см(величина постоянная);М - мощность пласта пород междусистемами водопроводящихтрещин, см;йК - изменение напора воды при изменении степени раскрытиятрещин, см;ц - коэффициент Пуассона пород(величииа безразмерная, постоянная для данного типапород).Расчетный аппарат величин напряжений по вышеуказанным формулам справедлив для условий ллоского напряженного состояния, т,е, дпя условий0899 5 10 15 20 3 111 поверхности массива и для границы массива с подземной полостью. Определение касательных напряжений и полного тензора напряжений в массиве осуществляютс использованием полученных выше величин глав ных напряжений по.методике Г 13.Выбор изучаемого массива горных пород с таким расчетом, чтобы системы водопроводящих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, пересекались с подземной полостью, позволяет по изменению параметров жидкой фазы в трещинах судить об изменении деформации горных пород при различных режимах напряжений. Другие типы трещин, например трещины выветривания, развитые на поверхности массива, являются замкнутыми и не отводят поверхностные воды в глубину массива. Поэтому при выборе водопроводящих трещин необходимо обращать внимание на их выдержанность по глубине, Трещинами, удовлетворяющими указанным требованиям, являются те, которые ограничивают тектонические блоки. Под влиянием напряжений в массиве пород происходит деформация стенок трещин, изменяются параметры трещиноватости, водопоглощения, водоотдачи и водопроводимости пород, При этом в наибольшей степени деформируются стенки вертикальных, субвертикальных и горизонтальных трещин. Эти системы трещин являются главными и ограничивают блоки горных пород в пространстве, Выбор систем трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, позволяет тем самым при измерениях параметров жидкой фазы, фильтрующейся через эти системы, обеспечить уве-. личение базы измерений напряжений до :десятков и сотен метров в зависимости от степени тектонической блочности того или иного- участка. Измерение параметров водного потока на его входе (водопоглощение) и выходе (водоотдача), т,е. в верхней и нижней частях массива, позволяют судить об изменениях термодинамических условий пород в ненарушенной природной обстановке, когда полностью в неизменном виде сохраняются природные систе-. мы водопроводящих трещин на всем их протяжении " от поверхности земли до подземной полости. Предлагаемая операция измерения параметров жидкой фазы горных пород периодически синхронно ла входе потока в трещины и 25 30 35 40 45 50 55 на его выходе в подземную полость дает возможность одновременно зафик" сировать относительное раскрытие водопроводящих трещин в различных частях массива, находящегося в сложном природном поле напряжений. При изменении величины.геостатических (от веса вышележащих пород) или тектонических горизонтальных напряжений породы реагируют на деформацию относительным раскрытием трещин. При этом, соответственно, изменяются водопоглощение и водоотдача пород, а также дебиты потоков в трещинах.Преобладание в породах сжимающих напряжений приводит к уменьшению раскрытия трещин на поверхности массива и, соответственно, к снижению величины водопоглощения. В это время внутри массива на выходе водного потока из трещин в подземную полостьпроисходит скачкообразное увеличениедебитов воды (водоотдачи), При определенной величине сжимающих напряжений, которая составляет 5-207 от предела прочности пород на одноосноесжатие, жидкая фаза мигрирует из более напряженных участков массива взоны пониженных напряжений, где преобладают растягивающие напряжения,Следовательно, резкие изменения различных параметров жидкой фазы, фильтрующейся по трещинам вдоль граництектонических блоков, являются показателями вариаций природных напряжений в массивах горных пород, Изменения.параметров водного потока, вчастности водопоглощения и водоотдачи, во времени для различных участковмассива позволяют судить о распределении поля напряжений в пространстве.В результате измерений получают эмпирические зависимости (графики, кривые) параметров для .каждой из системводопроводящих трещин во времени. Путем анализа полученных зависимостейвыделяют опорную систему трещин, длякоторой-изменения параметров водногопотока во,времени не превышают 107. отсредних значений. Сравнивая отклонения полученных зависимостей относительно параметров опорной системытрещин на какой-то момент времени,судят о степени раскрытия водопроводящих систем трещин, после чего определяют пространственное поле напря- .жений массиваИзменения степенираскрытия трещин по сравнению с опорной системой трещин дают возможность;= 3,46, смм где 5 11108 определить направление и знак напряжений, действующих на определенно ориентированную в пространстве систему трещин или массив в целом, и тем самым позволяют определить пространственное поле напряжений и их изменения во времени.Предлагаемый способ определения напряжений в горных породах испытан на геодинамическом полигоне в карсто р вой пещере Новомурадымовская Кугарчин" ского района Башкирской АССР.П р и м е р. Выбирают массив обводненных известняков общей площадью 2000 м, в котором водопровсщящие трещины, ограничивающие тектонические блоки пород и поглощающие воду ручья на поверхности массива, ортогональны и пересекаются на глубине 80-100 м массива с подземной пещерной полостьюу куда осуществляется разгрузка поглощаемых вод. Замеряют также мощность пласта пород между системами трещин. Затем с помощью горного компаса на выбранных взаимноортогональных системах водопроводящих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, определяют их ориентировку в пространстве. После выбора массива и определения ориентировки трещин на границах между блоками пород, а также в глубине массива на выходе потока из последних в подземную пещерную полость устанавливают комплекс измерительных приборов для регистрации дебитов, температуры и других,парамет 35 ров потока. На входе водного потока в трещины замеряют его параметры с помощью трех незатопленных водосливов объемным способом, а на выходе40 потока в подземную полость - с помощью специальной аппаратуры и приборов (барометра, психометра и др.), фиксируют дебит, объем фильтрующейся жидкости, давление и влажность воздуха, а также определяют химичес 45 кий состав Фильтрующихся вод. Параметры водного потока, в частности, водопоглощение и водоотдачу, замеряют синхронно на его входе в трещины и на выходе из них через каждые 2 ч 50 в течение нескольких циклов, по 4-5 дней в каждом цикле, Зарегистрированные в начале каждого цикла наблюдений параметры водного потока прини-, мают за начальные. По полученным данным строят графики зависимости деби- тов, химического состава и других параметров фильтрующейся воды от вре 99 6мени. При анализе дебитов водыопределяют изменения объема отдельных капель и их химического состава,.а также рН воды, содержания ионов кальция, гидрокарбоната магния. Затем по графикам анализируют отклонения параметров водного потока от начальных значений Й устанавливают законо.мерности изменения параметров во времени для различных частей массива. Построенные графики зависимости параметров от времени показывают, что вариации параметров водного потока, в частности водопоглощения и водоотдачи, во времени на его входе и выходе из трещин имеют .характер сложных квазигармонических кривыхимеющих несколько внутрисуточных минимумов и максимумов, что свидетельствует о периодическом характере изменения напряжений в массиве пород. Сравнение зависимостей параметров водного потока во времени для различных систем трещин с опорной системой трещин позволяет выявить относительное раскрытие сравниваемых систем трещин и рассчитать эмпирический коэффициент В, уиитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин по нижеследующей формуле Я - расход через систему трещин на фиксируемый момент, времени, см/с 3- коэффициент вязкости воды,кгс.с/см 2;- объемный вес воды, кгс/см"; М - мощность пласта породмежду системами водопроводящих трещин, см. Зная из графиков зависимость параметров водного потока от времени, определяют амплитуду максимального водопоглощения А искомой системы1трещин и величину водопоглощения опорной системы трещин. Затем вычисляют коэффициент интенсивности напряжений С как отношение амплитуды максимального водопоглощення А, искомой системы трещин к величине водопоглощения Й опорной системы трещин. Получив значения коэффициентов В; н С; , вычисляют значения главных нормальных напряжений в массиве горных пород по формуле1110899 8 7В с, дну3 1Ф щении гравитационного поля земли,Так, например, в вертикальном направлении знак напряжений в течение суток изменяет на противоположный, всвязи с чем происходит асинхронное 5изменение параметров водного потокана входе и выходе из трещин в массиве пород. Если в верхней части массива преобладают растягивающие напряжения и степень раскрытия трещинувеличивается, то в нижней его частивследствие преобладания сжимающихнапряжений уменьшается раскрытиетрещин и водопоглощение. В горизонтальной плоскости блоки, ограниченные системами водопроводящих вертикальных трещин, также испытываютнапряжения различных знаков, что отражается на величинах водопоглощения,В отдельные периоды времени в результате преобладаниЯ вертикальных сжимающих.,напряжений водопоглощениев систему горизонтальных пластовыхтрещин полнбстью прекращается и втечение 6 ч из вертикальной системытрещин происходит самоизлив воды наповерхность земли, Одновременно в соседенем блоке пород резко возрастаютвеличины водопоглощения в трещины,В последнем случае наибольшее главное нормальное напряжение параллельно плоскости пластов известнякови является растягивающим. В связис этим вертикальные тектоническиетрещины, перпендикулярные напластованию, отводят воду в пластовые трещины, которые в этот кериод получаютнаибольшее раскрытие. Таким образом,выполненные измерения и исследованияпозволяют выявить знак направлениянаибольших и наименьших главных нормальных напряжений, закономерное изменение поля напряжений во временина отдельных участках массива, чтодает возможность оценить динамикуестественного (природного) ноля напряжений в неоднородно построенноммассиве пород при базе измерениянапряжений от нескольких десятковдо сотен метров.О Эти же системы трещин расположены ближе к пещере и имеют более высокие З параметры водопроводимости. Получек. ные данные свидетельствуют о том, что вблизи пещеры преобладают растягивающие напряжения, Раскрытие трещин вследствие изменения поля напряжений влияет и на колебания параметров химического состава воды и ее минерализацию во времени. Колебания этих параметров во времени также имеют сложный характер и:при необходимости можно получить эмпирические зависи- .мости от их графиков зависимости химического состава (минерализации) во времени к графикам водопоглощения .и водоот)ачи. По системам трещин, в наибольшей степени реагировавшим на деформации пород, анализируют пространственное поле напряжений и изменения этих напряжений во времени Как показывают результаты испытаний, изменения параметров водного потока зависят, в основном,.от вариаций напряжений в массиве пород при возму 55 где Я; - главные нормальные напряжения в массиве пород, ИПа(кгс/см);У - эмпирический коэффициент,учитывающий влияние упругихдеформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/ИПа (изменяется от 0,01 до 1,0)ЬН - изменение напорапри изменении степени раскрытиятрещин, см, определяетсяв процессе проведения опытафУ4 - коэффициент Пуассона пород(величина постоянная дляданного типа пород),Результаты определений и вычислекий для всех выделенных систем трещин приведены в таблице.Как видно иэ таблицы, за исключением оперяющих трещин системы трещин 5 и 4 на поверхности массива характеризуются большими значениями напряжений и более высокими коэффициентами относительного раскрытия трещин В;. Испытания показывают, что по сравнению с известными предлагаемый способ определения напряжений в горных породах позволяет при увеличении в 30-50 раэ базы измерения напряжений снизить трудозатраты в 10-15 раз за счет сокращения таких вспомогательных и трудоемких операций, как10 1110899 монтаж и демонтаж бурового и другогооборудования, бурение скважин, подготовка скважин к измерениям, прокладка специального кабеля и электросетей и т.д. Сравнительная простотарасчетного аппарата, возможность поГлавные напряжения, ХПа Ь Система трещин, В(на поверхностимассива) 11,0 8,0 1,0 3,00 Составитель С. ПотаповРедактор Н. Киштулинец Техред С.Мигунова Корректор Г. Решетник Заказ 6284/26 Тираж 563 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Коэффициент д",см/МПа лучения количественных данных о поле напряжений массивов без наведения в них искусственного поля деформаций также являются существенными преиму 5 ществами предлагаемого способа по сравнению с известными,