Способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород

( 9) 1 С 390 ЕТЕНИ Б ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт физики и механики горных пород АН КиргССР(72) И,Т,Айтматов, А.В,Корн, К,Ч,Кожогулов, П, Ф,Матвеев, П. В, Баков Яо), Уве Гросс, Езеф финк и Иоахим Коварик (РО) 56) Авторское свидетельство СССР М 1209863, кл, Е 21 С 39/00, 1984.Турчанинов И,А. Основы механики горных пород. М,: Недра, 1987, с, 134 - 135, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ОСЕЙ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД Изобретение относится к горному делу, а именно к способам определения естественного напряженного состояния горных пород в массиве,Известен способ определения направлений осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважин и последующее измерение деформаций ее стенок. При атом на измерительном участке образуют камеру сферической формы и измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва пород, по которым судят о соотношениях нормальных напряжений в массиве, а по плоскости гидроразрыва - о направлении оси минимального главного нормального напряжения,Известный способ повзоляет надежно определять направление оси главного напряжения только в мелкозернистых массивных и однородных породах, в отсутствии(57) Изобретение относится к горному делу, Цель - повышение точности, В измерительной скважине герметизируют интервал и нагнетают в него гидроагент до образования трещины гидроразрыва. Определяют давлениек Рз 2 кваэистационарного раскрытия трещины, Затем герметизируют второй интервал с установленными в нем измерительными кольцами (ИК). Выполняют ИК из сочлененных элементов с пределами упруГостиОупрРз 2 иОупр )РВ 2, В интервал нагнетают гидроагент до давления РЗ 2 . Затем сбрасывают давление, извлекают ИК и измеряют диаметры и толщины элементов, По их соотношению определяют направления главных нормальных напряжений, 4 ил,ослабляющих включений и микротрещиноватости, так как в противном случае плоскость гидроразрыва будет реализовываться по указэнньм неоднородностям. В то же время в реальности такие условия недостикимы, следовательно, достоверность и точность измерений. остается невысокой,Известен способ определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение скважины, герметизацию ее участка, нагнетание в него гидроагента до ббразования трещины гидроразрыва, снижение давления и повторное нагнетание гидроагентэ до давления квазистационарного раскрытия трещины, по которому определяют величины главных напряжений в массиве и направление их Осей по ориентации трещины гидроразрыва,В таком способе предусматривается, что после образования трещины разрыва по результатам стереоскопирования места разрушения шов трещины будет указывать направление максимального главного нормального напряжения.. Однако известному способу присущ ряд недостатков, которые также были выявлены при проведении широкомасштабных опытно-экспериментальных работ на ряде месторождений СССР и ГДР, Во-первых, трещина гидроразрыва возникает в первую очередь в наименее прочной области пород, вскрытых скважиной, и характер шва повторяет конфигурацию этого включения, что искажает фактическое направление осей напряжений. Во-вторых, момент гидроразрыва происходит за пределом упругости пород и перед разрушением (разрывом) породы испытывали нелинейные дефорМации, а следовательно, теряется пропорциональность между деформациями и напряжениями и говорить о закономерном изменении формы скважины за пределом упругости не имеет смысла, а таким образом и место разрыва не будет в точности совпадать с направлением главных напряжений,Целью изобретения является повышение его точности.Для этого в способе определения направления осей главных напряжений в массиве горных пород, включающем нагнетание в герметизированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрыва, последующее определение давления Рз квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормалЬных напряжений, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно устанавливают измерительные кольца из сочлененных элементов с пределом упругости ( аупрРз 2, например алюминиевый сплав, и пределоМ упругостисдпр)Р 52, например пружинной марганцовистой стали, нагнетают во второй интервал гидроагент до давления Ря 2, сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления осей главных нормальных напряжений.На фиг,1 и 2 показана схема осуществления предлагаемого способа; на фиг.З и 4 - сечение А-А на фиг,2. Способ осуществляется в следующейпоследовательности, В исследуемом массиве горных пород 1 бурят измерительные скважины 2 и на измерительном интервале 3 ее герметизируют 4. Для герметизации 4 может быть использо 5 10 вана, например, система полиуретановых пакеров, раскрепление которых осуществляется жидкостью 5, посредством расширения пакеров гидросистемой, состоящей из гидроцилиндра (на фиг. не показано), установленного внутри пакера 4, гидропривода 6, пакерного манометра 7, двухходового пакерного крана 8 и гидронасоса 9. После подачи гидроагента 5 в гидропривод 6 насосом 9 кран 8 закрывают. Затем в образованный интервал 3 нагнетают гидроагент 5 насосом 9 при открытом кране 10, При этом 15 давление в гидросистеме 5 всегда поддеринтервале 3 повышают вплоть до образования трещины гидроразрыва 13, После образования грещин гидроразрыва давление в промежутке сбрасывают до нуля. При последующем цикличном увеличении давления в 25 гидросистеме 11 определяют величину давления Рз 1, равновесного состояния гидроагента в трещине и горного давления на ее берега. В силу инерционности роста трещи ны величина квазистационарного состояния можетбыть получена только при втором цикле нагрузки-нагрузки внутри измерительного интервала 3, Для этого то повторно и повышают давление в указанном интервале 3 до момента повторного раскрытиятрещины Рс 2 и по истечении некоторого времени (5 - 10 мин) определяют величину квазистационарного раскрытия трещины Рз 2 , Давление Рз 2 соответствует величине минимального главного напряжения, Следовательно, при этом давлении будет иметь место равновесие в пределах упругих деформаций между природным полем на 40 пряжений и давлением в гидросистеме.Другими словами, в этом случае на гидро- агент воздействует природный тензор напряжений, После этого в скважине 2 в непосредственной близости от интервала 3 в аналогичных породах герметизируют посредством гидросистемы второй измерительный интервал 14, в котором предварительно устанавливают измерительные кольца 15, состоящие из сочлененных элементов двух типов: с пределом 551уп ругости (оупр )РЯ 2 - 16 и (Ппр )Р 82 - 17. Элементы 16 изготавливают из алюминиевого сплава, а элементы 17 - из пружинной марганцовистой стали,живают большим на 5 - 10 МПа, чем в гидросистеме 11. Контроль давления 20 осуществляют по манометру 12. Давление вГидроагент 6 через гидросистему поддавлением подают в интервал 14 и повышают давление в нем до величины Рз 2 . При этом происходит деформация пластичных элементов кольца в соответствии с формой скважины, которую она приняла при снятии минимальной компоненты нормальных напряжений давлением РЯ. По прошествии некоторого времени г - 100-600 треп ( грел - время релаксации напряжений) давление в интервале 14 сбрасывают, кольцо за счет упругих элементов уменьшается в размерах и его извлекают из скважины, а по соотношению размеров диаметров или (и) толщин кольца д и д 2 пластичных элементов 16 деформированного кольца 15 в направлениях его максимального удлинения гг и максимального укороченияего диаметров судят о направлении осей главных напряжений. Следует учесть, что кольцо будЕт удЛИНятЬСя В НЭПраВЛЕНИИ Оыг, СО- ответственно элементы 16 будут утоняться в направлении Огра, Упругие элементы 17 кольца позволяют надежно фиксировать его . при установке, а при снятии давления извлечь его из скважины без изменения формы, Установка нескольких колец 15, повернутых друг относительно друга вокруг своей оси, также способствует выполнению йоставленной цели по двум причинам; повышается объем выборки для определения напряжений; обеспечивает получение максимальных деформаций пластичных элементов кольца на тех из них, где достигнуто совпадение положения середины податливого элемента и оси (Ъв,В совокупности указанная последовательность операций за счет того, что после бурения скважины на исследуемом участке ее на локальном участке герметизируют, подают под давлением в образованный интервал гидроэгент, повышают давление в указанном интервале до образования трещины гидроразрыва, сбрасывают давление и при повторном цикле нагнетания гидро- агента определяют давление Рз 2 квази- стационарного раскрытия трещины, после чего в данной скважине в непосредственной близости от этого участка в аналогичных породах герметизируют второй локальный участок, в котором предварительноустанавливают измерительные кольца диаметром, равным диаметру скважины, состоящие из сочлененных элементов с пределом упругостигтупрРз 2 и с пределом упругости Оу 2 прРз 2, нагнетают во вновь образованный герметичный интервал гидроагента и повышают его давление до величины Рз 2, после чего укаэанный интервал скважины разгерметизируют и извлекают из скважины измерительные кольца, 3 по соотношению диаметров и толщины деформиро ванного кольца в направлении егомаксимального удлинения и максимального укорочения судят о направлении осей главных нормальных напряжений, что обеспечивает повышейие точности определения 10 направлений осей главных напряжений вусловиях естественного залегания пород.Пример выполнения способа.Участок горных пород с гранитами, длякоторыхОс= 180 МРЭ; г Орасг= 15 МРа, На данном участке бурится вертикальная скважина диаметром 0,76 м. Скважина стереоскопируется прибором РВП, По данным стереоскопирования устанавливаются интервалы горных пород, относящиеся к одному структурному блоку. После чего на одном из выбранных интервалов устанавливают стандартный комплект для гидрорэзрыва пород. В результате последовательных циклов нагрузки и разгрузки скважины гидравлическим маслом и посредством указанного комплекта определяют: Рс=- 15 МПа; Ру .= 12 МПа; Рс 2 = 14 МПа; Рзг = 10 МПа. После чего зонд из скважины извлекают и внутри межпакерного пространства устанавливают семь колец, повернутых друг относительно друга на угол 60 и состоящих из алюминия марки АМц.Оупр= 6,7 МРа и плоских пружин из стали 35 марки 55 ГС 1 фр = 20 МРа; ст 0"=3 10 м до 0 = 0,5 10 м, Во избежание смыкания колец между ними устанавливают упоры. После этого зонд устанавливаютвновь в эту же скважину и досылают его так, чтобы измерительный интервал (межпакерное пространство) при этой установке оказалось внутри того же самого структурного блока, в котором ранее был произведен гидроразрыв. Маслонасосом вначале поднимают давление на гидроцилиндры пакеров до величины не менее чем Рз 2 + 5 МПа = 15 МПа, после чего запирают эту гидроветвь и открывают гидроветвь для подачи жидкости в измерительный интервал и повышают давление здесь до величины Рз 2 = 10 МПа, По прошествии 100 - 300 с давление в измерительном интервале уменьшают до нуля, далее от этой же величины снижают давление5 на пакеры и по окончании стока масла из.гидросистемы извлекают из скважины зон гидроразрыва и измерительные кольца. Выбирают кольцо с наибольшими деформациями как формы, тэк и толщины и определяют направления й и .д 11 =310 м направление и - ПвпАЛ -6д 1 =0,5.10 6 мд;Г = 1,5 10 мдР =0,5 10 м направление 9 - отахАзимут простирания й Азп = 3/2 л ляг,Азимут простирания д Азф = 2 л +л,Следовательно, простирание оси максимальных нормальных сжимающих напряжений субмеридиально,Предлагаемый способ позволяет точнои достоверно определять направление осейглавных напряжений, вследствие этого возможно обоснование определять направление проходки выработок, обеспечиваяустойчивое их состояние, а соответственноприменять облегченные виды крепи с сохранением безопасных условий труда.Формула и зоб рете н ияСпособ определения направления осейглавных напряжений в массиве горных пород, включающий нагнетание в герметиэированный интервал измерительной скважины гидроагента вплоть до образования трещины гидроразрыва, последующее определение давления Р, квазистационарного раскрытия трещины и определение направления осей главных нормальных напряжений, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в скважине герметизируют второй интервал, на котором предварительно устанавливают измерительнЫе кольца из сочлененных элементов с пределами упругости. супр )Рз 2 и опр )Рз 2 нагнетают во второй интервал времени гидро- агент до давления Я сбрасывают его до нуля, извлекают измерительные кольца и по соотношению их диаметров и толщин элементов с меньшим пределом упругости определяют направления главных нормальных напряжений,.1765395 и б"макс Редактор З.Ходако Составитель К,Лыковехред М.Моргентал рректор О,Густи оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, у ина,Заказ 3364 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5