способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород

Классы МПК:E21C39/00 Устройства для определения на месте разработки твердости или других свойств полезных ископаемых, например с целью выбора соответствующих инструментов для добычи
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Научно-исследовательский институт горной геомеханики и маркшейдерского дела ВНИМИ
Приоритеты:
подача заявки:
1994-05-04
публикация патента:

Изобретение относится к ультразвуковым способам определения напряженного состояния массивов и может быть использовано для определения главных напряжений в массиве на участках, представленных породами блочного строения. Из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважины, определяют минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, бурят куст скважин по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят куст скважин по вершинам квадрата, стороны которых строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, и определяют главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива. 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

Формула изобретения

Способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях кустов из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из скважин, определение упругих и акустических характеристик образцов горных пород, размещение в скважинах датчиков упругих колебаний, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, отличающийся тем, что сначала из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважин, устанавливают минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, куст скважин бурят по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят куст скважин по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, а главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива определяют по формуле

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где Е модуль Юнга, МПа;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 коэффициент Пуассона;

h высота образца, см;

L база измерений, см;

t0,90I,II,III среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 среднее время прохождения продольных волн в разгруженном образце керна, мкс;

Ктр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ определения напряжений в нарушенном массиве горных пород, включающий прозвучивание нарушенного участка массива ультразвуковыми импульсами, измерение в нескольких точках времени прохождения импульсов через нарушенный участок массива, тарировку и выбор базы измерения, определение времени прохождения импульсов через ненарушенный участок массива, при этом базу измерения выбирают в месте, где измерение времени задержки прохождения импульсов не превышает 5% а время задержки определяют как разность между временем прохождения импульсов через нарушенный и ненарушенный участки массива, причем тарировку проводят по зависимости времени задержки от напряжения (авт. св. СССР N 899941, кл. E 21 C 39/00, 1982).

Указанный способ позволяет определять только результирующую из составляющих (уровень напряжений) по тарировочным зависимостям времени задержки прохождения импульсов от напряжения, полученным при искусственном нагружении краевой части массива. Однако определить данным способом действительные значения составляющих напряжений способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579x, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579y, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579z в массиве не представляется возможным.

Известен также способ, включающий измерение скоростей распространения продольных и поперечных волн в массиве вдоль скважины, измерение скорости распространения продольной волны в осевом направлении керна при его нагружении и определение вертикальных напряжений в массиве путем сопоставления значений скоростей распространения продольной волны в массиве и в керне. При этом при нагружении керна дополнительно измеряют скорость распространения поперечных волн в его осевом направлении и определяют величину горизонтальных напряжений путем сравнения полученных значений скоростей поперечных волн в массиве и в керне с учетом изменения скорости поперечных волн от действия вертикальных напряжений (авт. св. СССР N 1239319, кл. E 21 C 39/00, 1986).

Однако данный способ определения напряженного состояния массива горных пород обладает низкой точностью, связанной с индификацией поперечных волн, анализом волновых картин и определением значений интервальных времен распространения поперечных волн вдоль стенок скважины. Кроме того, низкая точность определений обусловлена тем, что в массиве горных пород при действующих напряжениях 10-30 МПа изменение скорости поперечной волны с ростом напряжений значительно меньше, чем для продольной волны.

Известен также принятый за прототип способ определения главных нормальных напряжений в массиве, заключающийся в том, что с поверхности выработки в трех ортогональных плоскостях бурят три параллельных шпура по схеме прямоугольной розетки скоростей, в них спускают на равные глубины датчики ультразвуковых волн, определяют скорости распространения продольных волн между каждой парой датчиков и по максимальным и минимальным значениям скоростей определяют ориентацию эллипса скоростной анизотропии, при этом направление длинной оси эллипса принимают одинаковым с направлением максимального главного напряжения. Используя тарировочные зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученные с применением метода разгрузки, вычисляют главные нормальные напряжения (Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М. Недра, 1982, с. 140-151).

Однако указанный способ обладает низкой точностью определения главных нормальных напряжений и высокой трудоемкостью проведения измерений, связанной с определением ориентации эллипса скоростной анизотропии и определением тарировочных зависимостей между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученным методом разгрузки, особенно в массиве блочного строения.

Погрешности определения напряжений данным способом в массиве могут достигать более 20% Затраты времени на одно измерение для получения тарировочной зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением обычно составляют 2-4 ч.

Для повышения точности определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород блочного строения и снижения трудоемкости проведения измерений в способе, включающем бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях кустов из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из скважин, определение упругих и акустических характеристик образцов горных пород, размещение в скважинах источников и приемников упругих колебаний и измерительных устройств, возбуждение упругих волн и определение скорости распространения продольных волн между скважинами, из горной выработки бурят вертикальную скважину, определяют средний размер элементарных структурных блоков и скорость распространения упругих волн в структурных элементах по кернам скважины, устанавливают минимальное расстояние между скважинами равным не менее семи элементарных структурных блоков и не менее десяти диаметров скважин, куст скважин бурят по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами, один из катетов принимают за начальное нулевое направление, определяют время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений и определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, затем бурят скважины по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлению действия максимального и минимального напряжений, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин в точках отбора керна на базе измерения, равной граням куба, за основание которого принимают указанный квадрат, измеряют время распространения продольных волн в образцах пород керна, при высоте керна, равной 1/10 базы измерений, а главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива определяют по формуле

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где E модуль Юнга, МПа;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 коэффициент Пуассона;

h высота образца, см;

L база измерений, см;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 среднее время прохождения продольных волн в разгруженном образце керна, мкс;

Kтр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

На фиг. 1 показана схема влияния структурных элементов (трещин) на скорость распространения упругих волн по керну скважины; на фиг.2 схема к определению направлений действия деформаций (напряжений) вокруг скважин, пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника горных пород; на фиг.3 - схема к определению величин напряжений вокруг скважин, пробуренных по вершинам квадрата в блочном массиве; на фиг.4 схема размещения ультразвуковых зондов с датчиками упругих колебаний в скважинах; на фиг.5 конструкция ультразвуковых датчиков и оборудования для проведения измерений; на фиг.6 и 7 соответственно схемы к определению направлений действия и величин главных нормальных напряжений в условиях объемного напряжения состояния блочного массива.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Из горной выработки бурят куст скважин по вершинам прямоугольного треугольника и в каждой точке измерения в местах установки измерительных устройств определяют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин на равной базе измерений в трех ортогональных плоскостях.

При извлечении образцов керна из скважины, пробуренной в массиве блочного строения, определяют средний размер элементарных структурных блоков. Расстояние между скважинами выбирают равным не менее семи элементарных структурных блоков.

Рассмотрим процесс распространения плоской волны в структурном блоке, состоящем из n элементарных структурных элементов (фиг.1). Средняя скорость распространения колебаний в блоке Cб определится как частное от деления длины блока L на время Tб, за которое колебания, возбуждаемые на одном конце блока, достигнут приемника, расположенного на другом конце блока.

Тогда, полагая, что блок пород состоит из n структурных элементов длиной l, в которых колебания распространяются со скоростью Cк, и принимая, что время задержки колебаний, необходимое для прохождения волной трещин, равно tтр, получаем:

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Из этого уравнения можно определить отношение скорости распространения продольных волн в блоке к скорости распространения волн в элементарном структурном элементе:

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

учитывая, что L/l n, получим

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

При очень большом числе структурных элементов n имеем, переходя в (2) к пределу и обозначая l/Cк=tк,

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Таким образом, скорость распространения колебаний в блочном массиве при увеличении числа структурных элементов стремится к определенному пределу, составляющему некоторую долю от скорости распространения колебаний в структурном элементе:

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

При некотором отношении размеров блочного массива и структурного элемента дальнейшее увеличение количества трещин (элементарных структурных блоков) не вызывает изменения механических и акустических свойств среды. Это соотношение и принято в качестве критерия квазиоднородности. При малых значениях степени трещиноватости Cб/Cк быстро уменьшается, а затем кривая выполаживается и стремится к некоторому пределу, причем при L/lспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645797(Cб/Cк) незначительно отличается от этого предела, т.е. в пределах погрешности измерений.

Таким образом, при достижении степени трещиноватости L/lспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645797 характеристики механических и акустических свойств трещиноватого блочного массива изменяются очень незначительно. При данном значении степени трещиноватости трещиноватую среду можно рассматривать как сплошную.

По изменению времени распространения упругих волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин определяют напряжения действия нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях.

Основной причиной изменения времени прохождения упругих волн в массиве блочного строения являются деформации, возникающие в результате закрытия и уплотнения трещин, что приводит к увеличению плотности породы. Степень закрытия трещин зависит от их ориентировки по отношению к действующим нормальным напряжениям в массиве. Наибольший эффект закрытия наблюдается для 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 трещин, ориентированных 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 способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579tспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 в каком-либо направлении зависит от изменения деформации Dev (напряжений) в этом направлении, т.е.

Dtспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579= способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579k, (6)

где к размерный коэффициент.

При расположении измерительных устройств в скважинах (фиг.2), пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника, деформации в каком-либо направлении могут быть определены следующим образом

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 угол между направлением действия максимальной деформации и начальным нулевым направлением.

В уравнение (7) входят три неизвестные величины: emax, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579min и способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579. Для их определения необходимы три уравнения, которые можно получить, выполнив три измерения времени прохождения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника и определив при этом три значения t01, t425, t930 на равных базах измерений.

Из аналитического решения уравнения (7), подставляя измеренные значения t01, t425 и t930, можно получить выражение для определения значения угла способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 между направлением максимальной деформации (напряжения) и начальным нулевым направлением

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Измеренные значения времени распространения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника, относят к одинаковой базе измерений, т. е. к равному пути прохождения продольной волны между скважинами.

Для определения напряжений в массиве блочного строения осуществляют бурение параллельных скважин по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений (фиг. 3). Напряжения в каждой точке измерения определяют по относительному изменению времени прохождения упругих волн в разгруженном образце керна и в нагруженном массиве, т.е.

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где tki/ время распространения продольной волны в разгруженном образце в каждой i точке измерений;

t0i,90 время прохождения продольной волны в нагруженном массиве в каждой i точке измерений;

k размерный коэффициент.

В каждой точке измерения в местах установки измерительных устройств измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин на базе измерений, равной граням куба, за основание которого принимают указанный выше квадрат.

Базу измерений выбирают равной Lспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645797l, где l средний размер ребра элементарного структурного блока.

Время распространения продольных волн в образцах пород керна, отобранных в точках измерений, определяют при высоте образцов h=(1/10)способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579L, где L - база измерений.

При расположении измерительных устройств в скважинах, пробуренных по вершинам квадрата, напряжения в точках измерений в трех ортогональных плоскостях в направлении 0,90o можно определить по следующей формуле

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где E модуль Юнга, МПа;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 коэффициент Пуассона;

h высота образцов, см;

L база измерений, см;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 среднее время распространения продольных волн между скважинами и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях в направлении действия максимального и минимального напряжений, мкс;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 среднее время прохождения продольных волн в разгруженных образцах керна, мкс;

Ктр коэффициент, учитывающий влияние структурных элементов на скорость распространения упругих волн.

Распределение напряжений вокруг скважин, пробуренных в блочном массиве по вершинам квадрата и в направлении оси Z"" в произвольной системе координат (x", y", z"") описывается следующим соотношением (фиг.3)

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 нормальные и касательные напряжения, МПа;

a радиус, проведенный по вершинам квадрата, см;

r радиус до точки, в которой определяются напряжения, см;

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 угол между первоначальным направлением (ось y") и направлением измерения, градус.

При расположении скважин, пробуренных по вершинам квадрата и при расстоянии между скважинами Lспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 206457910D, где D диаметр скважин, радиус до точки, в которой рассматриваются напряжения, практически совпадает с радиусом, проведенным по вершинам квадрата, т.е. r=a.

Решение уравнения (II) при r=a, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 = 0способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, 90o приводит к следующим формулам

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Из уравнений (12) и (13) получаем

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Аналогично согласно предыдущих уравнений определяют способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, которые получают при определении способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579o, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 206457990 в двух других ортогональных плоскостях, т.е.

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Таким образом, для определения величин нормальных напряжений в блочном массиве бурят скважины по вершинам квадрата, стороны которого строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений, определяют напряжения в трех ортогональных плоскостях способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645790,90I,II,III, на основании которых, используя предыдущие уравнения, вычисляют способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579.

Зная все значения нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, находят величины главных нормальных напряжений для условий объемного напряжения состояния массива из следующих уравнений

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Вычитая из уравнения (20) уравнение (21), получим

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

откуда получаем главные нормальные напряжения в блочном массиве

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Экспериментально установлено, что главные нормальные напряжения в блочном массиве равны следующим выражениям

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Таким образом, в общем случае главные нормальные напряжения в условиях объемного напряженного состояния блочного массива можно определять из выражения

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Способ осуществляется следующим образом. В массиве блочного строения из горной выработки бурят вертикальную скважину 1 с отбором образцов керна и определяют средний размер элементарных структурных блоков. На торцах отобранного керна разной длины, кратной количеству структурных блоков, устанавливают датчики (излучатель и приемник) упругих колебаний, определяют скорость распространения упругих волн в n структурных элементах и акустический коэффициент трещиноватости Kтр блочного массива. При отношении размеров блочного массива и структурного элемента L/lспособ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645797, при котором скорость распространения волн в блочном массиве выполаживается и изменяется незначительно (в пределах точности измерений), выбирают базу измерений L1 и определяют минимальное расстояние между скважинами L2, L3 (фиг.4). Параллельно скважине 1 бурят две параллельные скважины 2, 3 по вершинам прямоугольного треугольника с равными катетами. Расстояние между скважинами 1-2 и 1-3 равно L2=L3. Один из катетов прямоугольного треугольника, например направление между скважинами 1-3, принимают за начальное нулевое направление, которое одновременно принимают за ось y. В три скважины 1, 2 и 3 в каждой точке измерений устанавливают три зонда 4, 5, 6 с датчиками упругих колебаний (фиг.4). Расстояние между датчиками (база измерений) в зондах выбирают равным минимальному расстоянию между скважинами, т.е. L1=L2=L3. В скважину 1 помещают зонд 4 с датчиками 7, 8 упругих колебаний, в скважину 2 зонд 5 с датчиками 9, 10 упругих колебаний, в скважину 3 зонд 6 с датчиками 11, 12 упругих колебаний. Каждый из датчиков включает излучатель и приемник упругих волн, развернутые в плоскости относительно друг друга на 90o. При этом излучатели и приемники датчиков располагаются в двух ортогональных плоскостях соосно друг другу, например между скважинами 1-2 и 1-3.

Перед проведением измерений собирают зонды 4, 5, 6, каждый датчик (фиг. 5) которых включает корпус 13, излучатель 14 и приемник 15 упругих волн, устанавливаемые на опорных пластинах 16, пневмокамеры 17, растяжки 18, трубопровод 19, электрокабели 20. Каждый зонд содержит два датчика, акустический изолятор 21, досылочные штанги 22. Для прижатия датчиков к стенкам скважин подают сжатый воздух в пневмокамеры по трубопроводам от камеры 23. В качестве регистратора сигналов используют прибор 24.

Перед проведением ультразвуковых измерений три зонда 4, 5, 6 с помощью досылочных штанг 22 устанавливают в скважины, пробуренные по вершинам прямоугольного треугольника, и передвигают по ним в требуемую точку массива. Расстояние до точки измерения определяют по отметкам, размеченным на досылочных штангах. Прижим датчиков к стенкам скважин производят подачей сжатого воздуха от камеры 23 с помощью ручного насоса. Измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве и вдоль скважин проводят в каждой точке измерений в трех ортогональных плоскостях (фиг.4 и 6). Для этого к прибору 24 подключают электрокабели 20 датчиков 7, 11 с излучателем И3 и приемником П1 упругих волн и измеряют время распространения продольной волны to1 между скважинами 1-3. Затем к прибору подключают электрокабели датчиков 7, 9 с излучателем И1 и приемником П2, датчиков 9, 11 с излучателем И3 и приемником П2, датчиков 8, 11 с излучателем И"1 и приемником П3, датчиков 7, 10 с излучателем И2 и приемником П"1 и измеряют t02,90, t435, t445, t455 между скважинами 1-2, 2-3, 1-3. Аналогичные измерения проводят и вдоль скважины. Для этого к прибору подключают электрокабели датчиков 7, 8 с излучателем И1 и приемником П"1, датчиков 9, 10 с излучателем И"2 и приемником П2, датчиков 11, 12 с излучателем И3 и приемником П"3 упругих колебаний и измеряют t960, t970 вдоль скважины 1.

Используя измеренные значения времени прохождения продольных волн между скважинами для каждой точки измерений to1, t02,90, t435, t445, t455 и вдоль скважины t960, t970, определяют направления действия максимальных и минимальных нормальных напряжений в блочном массиве в трех ортогональных плоскостях по следующей формуле

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

где t0I,II,III, t45I,II,III, t90I,II,III значения времени прохождения продольных волн в межскважинном пространстве и вдоль скважин, измеренные в трех ортогональных плоскостях соответственно в направлении 0o, 45o, 90o от условного нулевого направления.

Использование зондов данной конструкции, расположение датчиков в скважинах, пробуренных по вершинам прямоугольного треугольника (фиг. 4, 5), и использование предлагаемых схем измерений (фиг. 6) позволяют повысить точность определения направлений действия нормальных напряжений в блочном массиве. Кроме того, повышение точности измерений достигается путем переключения в датчиках способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, т.е. обеспечивается дополнительное прозвучивание межскважинного пространства и вдоль скважин в направлении 0o, 45o, 90o относительно условного нулевого направления.

Определив направления действия нормальных напряжений в трех ортогональных плоскостях, задают направление для бурения новых скважин (способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645792 и способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 20645793/ , фиг. 6), а затем бурят параллельные скважины по вершинам квадрата, стороны которых строго ориентированы по направлениям действия максимального и минимального напряжений (способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579m1ax и способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579m1in, фиг.7). При этом производят отбор образцов керна из скважин в точках измерений для последующего определения упругих и акустических свойств образцов горных пород. Две стороны рассматриваемого куба принимают за условное нулевое направление, например направления между скважинами 4-5, 4-7, которые соответственно принимают за ось y" и x". Расстояние между скважинами, т. е. базу измерений L, выбирают равным не менее семи элементарных структурных блоков. Акустические характеристики образцов определяют при высоте образцов h=(1/10)L.

Во все скважины в требуемую точку массива в каждой точке отбора керна устанавливают зонды с датчиками упругих колебаний (фиг. 4 и 7). В скважину 4 помещают зонд 1 с датчиками 7, 8, содержащими излучатели И4, И"4 и приемники П4, П"4 упругих волн, в скважину 5 зонд 2 с датчиками 11, 12, содержащими излучатели И5, И"5 и приемники П5, П"5, в скважину 6 зонд 3 с датчиками 9, 10, содержащими излучатели И6, И"6 и приемники П6, П"6, в скважину 7 зонд 4 с датчиками, содержащими излучатели И7, И"7 и приемники П7, П"7 упругих колебаний. При этом излучатели и приемники располагают в межскважинном пространстве соосно друг к другу. Базу измерений вдоль скважин L4 выбирают равной базе измерений между скважинами L5, L6, т.е. L4=L5=L6. Расстояние до точки определяют с помощью досылочных штанг. Подачей сжатого воздуха из камеры 23 производят прижим датчиков зондов к стенкам скважин и проводят измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве и вдоль скважин в каждой точке измерений. Для этого к прибору 24 подключают электрокабели датчиков и измеряют время распространения упругих волн to1, t02,90, to3 , t04,90, t950, t960, t970, t980 между скважинами 4-5, 4-7, 6-7, 5-6 и вдоль скважин 4, 5, 6, 7.

Таким образом, установив зонды в скважинах, пробуренных по вершинам квадрата, измеряют время прохождения продольных волн между скважинами и вдоль скважин на равной базе измерений в трех ортогональных плоскостях и определяют их средние значения, т.е. способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579.

Для возбуждения и регистрации сигналов используют ультразвуковые приборы с датчиками упругих колебаний, например УК-10 ПМС и пьезоэлементы с резонансными частотами 25, 60 кГц.

Используя средние значения времени прохождения продольных волн способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579 в трех ортогональных плоскостях в точках измерений, средние значения времени распространения продольных волн способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, полученные по образцам при высоте керна h=(1/10)способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579L, коэффициентов трещиноватости Kтр, и, определив упругие характеристики образцов горных пород E, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, определяют главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния блочного массива по формуле

способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579

Использование предлагаемого способа позволило повысить точность определения напряжений в блочном массиве по сравнению с известными. Например, погрешность определения нормальных напряжений способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579x, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579y, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579z в блочном массиве торцовой разгрузки составила 16-21% предлагаемым способом с использованием измерительных устройств не превышала 5%

Таким образом предлагаемый способ позволяет повысить точность определения главных нормальных напряжений в блочном массиве по сравнению с трудоемким методом разгрузки. Затраты времени на проведение измерений каждой точки исследуемого массива предлагаемым способом не превышали 0,1 ч.

Предлагаемый способ позволяет с достаточной эффективностью, надежностью, в достаточном объеме и за короткий срок произвести оценку напряженного состояния блочного массива по мере развития горных работ. Например, средние значения главных нормальных напряжений в блочном массиве в зоне опорного давления и за зоной влияния горной выработки составили способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579=25,0 МПа; способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579=31 МПа; способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579= 40,0 МПа. Погрешность определения главных нормальных напряжений в блочном массиве составила 1-2 МПа. При этом глубина участка наблюдений 890 м, площадь сечения горизонтальной выработки наблюдений 890 м площадь сечения горизонтальной выработки 20 м2, диаметр скважины 76 мм, глубина скважин 15 м, размеры элементарных структурных блоков 8-12 см, минимальное расстояние между скважинами, пробуренными по вершинам прямоугольного треугольника 0,8 м. Азимутальный угол способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579m1ax = 160способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579, вертикальные углы способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579m2ax, способ определения главных нормальных напряжений в массиве   горных пород, патент № 2064579. Минимальное расстояние между скважинами, пробуренными по вершинам квадрата 1,0 м. Коэффициент трещиноватости блочного массива Kтр=1,14. Высота образцов керна 10 см. Диапазон изменения времени распространения продольных волн в образцах керна 30,0-34,0 мкс. Диапазон изменения времени прохождения продольных волн на равной базе между скважинами и вдоль скважин 184-266 мкс. Частота упругих колебаний 25 кГц. Затраты времени на проведение измерений 20 точек исследуемого массива 1 ч.

Класс E21C39/00 Устройства для определения на месте разработки твердости или других свойств полезных ископаемых, например с целью выбора соответствующих инструментов для добычи

устройство для определения энергоемкости разрушения горных пород -  патент 2528314 (10.09.2014)
способ определения выбросоопасных зон в угольных пластах -  патент 2528304 (10.09.2014)
способ определения газокинетических характеристик угольного пласта -  патент 2526962 (27.08.2014)
способ и устройство для увеличения добычи в месторождении -  патент 2524367 (27.07.2014)
способ прогноза разрушения участка массива горных пород -  патент 2522365 (10.07.2014)
способ определения механических свойств образцов горных пород и материалов -  патент 2521116 (27.06.2014)
стенд для исследования режимов бурения горных пород -  патент 2516042 (20.05.2014)
способ оперативного определения влажности угольного пласта -  патент 2513465 (20.04.2014)
способ определения внутренней системы трещин на обнажениях -  патент 2511422 (10.04.2014)
способ контроля и определения координат опасного состояния массива горных пород при подземных горных работах -  патент 2509890 (20.03.2014)
Наверх