RU2029084C1 - Способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: для определения главных напряжений в массиве на участках, представленных породами однородного строения. В массиве горных пород осуществляют бурение в трех ортогональных плоскостях трех кустов из параллельных скважин по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон в котором принимают за начальное нулевое направление. В скважины устанавливают излучатели и приемники упругих колебаний. Измеряют время распространения продольных волн в образцах горных пород, отобранных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка. Отношение высоты образцов к диаметру скважины принимают равным двум, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве. Отношение базы измерений к диаметру скважин принимают равным десяти, определяют напряжения в точках измерений каждого куста скважин, вычисляют нормальные и касательные напряжения массива в плоскостях перпендикулярно направлению осей X, Y, Z, в каждом из трех кустов скважин и определяют главные нормальные напряжения в условиях объемного напряженного состояния массива. Способ осуществляют с помощью устройства, включающего пьезоэлементы, размещенные в цилиндрическом корпусе с опорной пластиной, подвешенной к крышкам корпуса на звукоизолированных упругих растяжках, и прижимное устройство. Пьезоэлементы развернуты в плоскости относительно друг друга на 60°. 2 с.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл.

Description

Изобретение относится к ультразвуковым способам определения напряженно-деформированного состояния горных пород и может быть использовано для определения поля главных напряжений в горном массиве на участках, представленных породами относительно однородного 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. Базу измерения выбирают в месте, где измерение времени задержки прохождения импульсов не превышает 5 %. Время задержки определяют как разность между временем прохождения импульсов через нарушенный и ненарушенный участки массива. Тарировку проводят по зависимости времени задержки от напряжения (а. с. СССР N 899941, кл. Е 21 С 39/00, 1975).

Указанный способ позволяет определять только результирующую из составляющих напряжений (уровень напряжений) по тарировочным зависимостям времени задержки прохождения импульсов от напряжения, полученным при искусственном нагружении краевой части массива. Однако определить данным способом действительные значения нормальных касательных напряжений в плоскостях, перпендикулярных направлению осей x, y, z, и главные напряжения в массиве не представляется возможным.

Известен также способ, включающий измерение скоростей распространения продольной и поперечной 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 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 [1].

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 распростра- нения продольных и поперечных волн вдоль стенок скважины. 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 в массиве горных пород с поверхности выработки в трех ортогональных плоскостях бурят три параллельных шпура по схеме прямоугольной розетки скоростей, в них опускают на равные глубины датчики ультразвуковых волн, определяют скорости распространения продольных волн в массиве между каждой парой датчиков и по максимальным и минимальным значениям скоростей определяют ориентацию эллипса скоростной анизотропии. Направление длинной оси эллипса принимают равным направлению максимального главного напряжения. Используя тарировочные зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученным с применением одного из вариантов метода разгрузки в скважине, вычисляют главные нормальные напряжения [2].

Данный способ осуществляется с помощью устройства, включающего ультразвуковой шпуровой датчик с цилиндрическим корпусом и помещенным внутри него пьезоэлементом на опорной пластине, под которой уложена пневмокамера, служащая для прижатия пьезоэлемента к стенке скважины. Возврат пьезоэлемента осуществляется посредством цилиндрических пружин и резинового кольца, надетого на излучающую поверхность пьезоэлемента и корпус датчика [3].

Однако указанные способ и устройство обладают низкой точностью определения главных нормальных напряжений и высокой трудоемкостью проведения измерений в массиве, связанной с определением ориентации эллипса скоростной анизотропии в массиве горных пород и определением тарировочных зависимостей между скоростью распространения упругих волн и напряжением, полученным методом разгрузки, при различной ориентировке ультразвуковых датчиков в скважинах, особенно в породах относительно однородного строения, в которых скорости с увеличением напряжений изменяются незначительно.

Погрешности определения напряжений данным способом и устройством могут достигать 20-30 %. Затраты времени на одно измерение для получения тарировочной зависимости между скоростью распространения упругих волн и напряжением обычно составляет 2-4 ч.

Цель изобретения - создание способа и устройства, которые позволяют повысить точность определения главных нормальных напряжений и снизить трудоемкость проведения измерений в массиве горных пород.

Указанная цель достигается тем, что в способе, включающем бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях трех кусков из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из исследуемого массива, 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 в межскважинном пространстве, скважины бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон в котором принимают за начальное нулевое направление, измеряют время прохождения упругих волн в образцах горных пород, отобранных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка. Отношение высоты образца к диаметру скважин принимают h/D = 2. Измеряют время распространения упругих волн в межскважинном пространстве в каждой точке отбора образца при этом отношение базы измерений к диаметру скважин принимают равным L/D = 10, определяют напряжения в точках измерений для каждого куста скважин по формуле
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°,60°,1}}{\text{I,II,III}}$ ^20° =

1 -

где Е - модуль упругости, МПа;
ν - коэффициент Пуассона;
h - высота образца (керна), см;
L - база измерений между скважинами, см;
t $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°,60°,1}}{\text{I,II,III}}$ ^20° - время прохождения продольных упругих волн в межскважинном пространстве, измеренное в каждом кусте скважин в направлении 0^о, 60^о, 120^о относительно первоначального направления, мкс;
t_I,II,III ^обр - время прохождения продольных волн в образцах, отобранных в каждом кусте скважин, мкс, вычисляют нормальные и касательные напряжения массива в плоскости, перпендикулярной направлению осей x, y, z в каждом из трех кустов скважин по формулам:

,

,

=

+

,

,

=

σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°}}{\text{I,}}$ _II,III +

+

,

,

=

Главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния массива определяют из следующих соотношений:
σ_Y=

σ_X=

σ_Z=

Сопоставительный анализ предлагаемого способа с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известных тем, что скважины бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон в котором принимают за начальное нулевое направление. При этом обеспечи- ваются 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 продольных волн в межскважинном пространстве.

Напряжения в массиве однородных пород в каждой точке измерения определяют по относительному изменению времени прохождения упругих волн в разгруженном образце керна и в нагруженном массиве (межскважинном пространстве).

Основной причиной относительного изменения времени прохождения упругих волн в массиве 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 напряжения в массиве. В этом же направлении наблюдается максимальное увеличение плотности породы и соответственно наибольшее уменьшение относительного времени прохождения продольной волны. Наименьший эффект закрытия наблюдается для пор и трещин, ориентированных в направлении действия минимального нормального напряжения в массиве, и соответственно в этом направлении наблюдается наибольшее время прохождения продольной волны.

Таким образом, относительное изменение времени распространения упругих волн в каком-либо направлении зависит от изменения деформаций (напряжений) в этом направлении, т.е.

= ε^{0°,60°,120°} где t_к ^обр - время распространения продольной волны в разгруженном образце керна;
t

- время прохождения продольной волны в нагруженном массиве.

Время распространения продольных волн в образцах горных пород, отобранных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка, определяют при отношении высоты образца к диаметру скважин, равном h/D = 2. Время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве массива определяют при отношении базы измерений к диаметру скважин, равном L/D= = 10.

При расположении измерительных устройств в трех скважинах, пробуренных в плоскости относительно друг друга под углом 60^о, напряжения в точках измерений в направлении измерений 0^о, 60^о, 120^оопределяют по следующей формуле
σ^{0°,60°,120°}=

1 -

где Е - модуль упругости, МПа;
ν - коэффициент Пуассона;
h - высота образцов керна, см;
L - база измерений между скважинами, см;
t

- время прохождения продольных упругих волн в межскважинном пространстве, измеренное в направлении 0^о, 60^о, 120^оотносительно первоначального направления, мкс;
t^обр - время распространения продольных волн в образцах керна, отобранных из скважин, мкс.

Распределение напряжений вокруг скважин, пробуренных в изотропном массиве в плоскости относительно друг друга под углом 60^о и в направлении оси в произвольной системе координат (x, y, z), описывается следующим соотношением (фиг. 6):
σ^θ=

1 +

-

1 + 3

cos2θ -

1 + 3

sin2θ (1) где σ_x ^,, σ_y ^,, τ_x $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{,}}{\text{y}}$ - нормальные и касательные напряжения в массиве, МПа;
а - радиус, проведенный по вершинам равностороннего треугольника, см;
r - радиус до точки, в которой рассматриваются напряжения, см;
θ - угол между первоначальным направлением (ось х) и направлением измерения, град.

При расположении скважин, пробуренных по вершинам равностороннего треугольника, радиус до точки, в которой рассматриваются напряжения, практически совпадает с радиусом, проведенным по вершинам равностороннего треугольника т.е. r = a.

Решение уравнения (1) при r = a, θ = 0^о, 60^о, 120^о приводит к следующим формулам
σ^0°= 3

-

(2)
σ^60°= 2

- 2

(3)
σ^120°= 2

+ 2

(4)
Из уравнений (3) и (4) получаем

=

(σ^60°+ σ^120°) (5)
Подставляя уравнение (5) в уравнение (2), находим

=

σ^0°+

(σ^60°+ σ^120°) (6)
Вычитая из уравнения (4) уравнение (3), получим

=

(7)
Аналогично предыдущим уравнениям определяют σ_x ^,,, σ_z ^,,, τ_xz ^,, и σ_y ^,,,, σ_z ^,,,, τ_xz ^,,,, которые получают при определении

в кустах скважин, пробуренных по вершинам равностороннего треугольника в направлении осей х и y.

Таким образом, в общем случае, когда измерения предполагаются в произвольном направлении относительно ориентировки главных нормальных напряжений, то для нахождения величин главных нормальных напряжений в массиве бурят три скважины по вершинам равностороннего треугольника в трех ортогональных плоскостях и в каждом кусте скважин определяют

, на основании которых, используя предыдущие уравнения, вычисляют σ_x ^,, σ_y ^,, τ_xy ^, , σ_x ^,,, σ_z ^,,, τ_xz ^,, , σ_y ^,,,, σ_z ^,,,, τ_yz ^,,,.

Зная все значения нормальных напряжений по произвольно ориентированным осям х, y, z, находят величины главных нормальных напряжений для условий объемного напряженного состояния массива из следующих уравнений
σ_x ^,+σ_y ^,=σ_X+σ_Y; (8)
σ_x ^,,+σ_z ^,,=σ_X+σ_Z; (9)
σ_y ^,,,+σ_z ^,,,=σ_Y+σ_Z. (10)
Вычитая из уравнения (8) уравнение (9), получим
σ_x ^,+σ_y ^,-σ_x ^,,-σ_z ^,,=σ_Y-σ_Z;
σ_y ^,,,+σ_z ^,,,=σ_Y+σ_Z, откуда получаем главные нормальные напряжения
σ_Y=

σ_X=

σ_Z=

Определение составляющих тензора напряжений производится на одинаковом удалении от кровли и стенок выработки во всех кустах скважин, 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, принята точка стояния бурового станка.

Авторам не известен способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород, основанный на измерении времени прохождения упругих волн между скважинами, пробуренными по вершинам равностороннего треугольника в трех ортогональных плоскостях и в образцах горных пород, отобранных на равном расстоянии от точки стояния бурового станка.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1 и 2). В массиве однородных горных пород в трех ортогональных плоскостях бурят три куста параллельных скважин по вершинам равностороннего треугольника с отбором образцов керна на равном расстоянии от точки стояния бурового станка и последующим определением упругих и акустических свойств образцов горных пород. Одну из сторон равностороннего треугольника принимают за начальное нулевое направление, например направление между скв. 1-2, которое принимают за ось х. Расстояние между скважинами, т.е. базу измерений выбирают при L = 10D, где D - диаметр скважин. Акустические характеристики образцов определяют при высоте образцов h = 2D. Во все скважины в каждой точке отбора керна устанавливают датчики упругих колебаний. В скв. 1 помещают излучатель И₁ и приемник П₁ упругих волн, в скв. 2 - приемник П₂ и излучатель И₂, в скв. 3 - приемник П₃ и излучатель И₃ упругих колебаний. При этом излучатели и приемники располагают в скважинах соосно друг другу.

При установке датчиков в точках измерений регистрируют первое вступление продольных волн между скв. 1-2, скв. 2-3, скв. 1-3 и определяют времена прохождения упругих волн t

,t

,t

на базе измерений L. Начальное расстояние до точек измерения принимают точку стояния бурового станка.

Используя времена прохождения продольных волн между скважинами t

, t

, t

, времена распространения продольных волн, полученные по выбуренным образцам из скважин t^обр, и определив упругие характеристики образцов горных пород Е, ν, определяют напряжения в точках измерений каждого куста скважин по следующей формуле
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°,60°,1}}{\text{I,II,III}}$ ^20°=

1 -

Нормальные и касательные напряжения в плоскости перпендикулярно направлению осей х, y, z каждого из трех кустов скважин вычисляют по формулам:

,

,

=

+

,

,

=

σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°}}{\text{I,}}$ _II,III +

+

,

,

=

Используя компоненты тензора напряжений, полученные в трех ортогональных плоскостях, вычисляют главные нормальные напряжения из следующих соотношений:
σ_Y=

σ_X=

σ_Z=

Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройства, включающего пьезоэлементы, размещенные в цилиндрическом корпусе с опорной пластиной, подвешенной к крышкам корпуса на звукоизолированных упругих растяжках, и прижимное устройство. Пьезоэлементы развернуты в плоскости относительно друг друга на 60^о.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что пьезоэлементы развернуты в плоскости относительно друг друга на 60^о.

О применимости указанного признака в известных устройствах в совокупности с остальными авторам не известно.

На фиг. 3 и 4 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 5 - расположение устройства в скважинах.

Устройство содержит корпус 1, пьезоэлементы (излучатель и приемник) 2 и 3, опорную пластину 4, пневмокамеры 5, ленточные растяжки 6, пневмопровод 7, резервуар сжатого воздуха 8, ультразвуковой прибор 9, электрокабель 10, досылочные штанги 11.

Излучатель 2 и приемник 3 упругих волн расположены в плоскости относительно друг друга под углом 60^o и размещены на опорных пластинах 4, под которыми уложены пневмокамеры 5. Возврат датчиков в первоначальное положение осуществляется с помощью ленточных растяжек 6. Пневмокамеры датчиков соединены пневмопро- водами 7 с резервуаром сжатого воздуха 8. Выходы усилителя и генератора ультразвукового прибора 9 соединены с датчиками электрокабелями 10. Устройство досылают в скважину до заданной глубины в точку измерений с помощью досылочных штанг 11. Началом определения расстояния до точек измерений принята точка стояния бурового станка.

Расположение пьезоэлементов в скважинах под углами 60^о обеспечивает соосность направлений каждой пары датчиков (излучатель и приемник) т.е. максимальные оси диаграмм направленности датчиков строго направлены друг другу. При этом обеспечивается равносторонняя схема измерений.

Использование предполагаемого устройства и схемы равносторонних измерений позволяет повысить точность ультразвуковых измерений и снизить трудоемкость их проведения по сравнению с прототипом. Кроме того, повышение точности измерений достигается путем переключения датчиков И

П₁, П

И₂, П

И₃, т. е. обеспечивается прозвучивание межскважинного пространства в направлении 0^о, 60^о, 120^о относительно первоначального направления.

Устройство работает следующим образом.

Перед измерениями устройство с помощью досылочных штанг устанавливают в требуемую точку массива (фиг. 3-4). Расстояние до точки измерения определяют от точки стояния бурового станка. Подачей сжатого воздуха производят прижим датчиков устройств к стенкам скважин и проводят измерения времени прохождения продольной волны в межскважинном пространстве в каждой точке измерений. Для этого к прибору подключают электрокабели датчиков И₁ и П₂ и измеряют время распространения упругих волн t_1-2 ^o между скв. 1-2. Затем к прибору подключают электрокабели датчиков И₂ и П₃ и определяют t

между скв. 2-3. Далее к прибору подключают электрокабели датчиков И₃ и П₁ и фиксируют t

между скв. 1-3. Аналогичные измерения проводят во всех трех кустах скважин. Для возбуждения и регистрации сигналов был использован ультразвуковой прибор УК-10 ПМС и пьезоэлементы с резонансными частотами 25-60 кГц. Погрешность измерения времени распространения упругих волн прибором УК-10 ПМС составила 0,5 %.

В настоящее время предлагаемый способ и устройство прошли методическую проверку на шахте 2 БИС Никитовского ртутного комбината, в частности на гор. 390 м, где была пройдена в нетронутом массиве тупиковая горизонтальная выработка площадью сечения S = 10 м², в котором была оборудована наблюдательная станция. В районе проведения наблюдений какие-либо горные работы не проводились. На наблюдательной станции для определения первоначального напряженного состояния массива использовался метод разгрузки. 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. Один куст вертикальных скважин был пробурен по оси z глубиной до 12 м, второй и третий кусты горизонтальных скважин - по осям x, y глубиной 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) - 0,76 м. Бурение скважин осуществлялось с отбором образцов керна для определения упругих и акустических свойств образцов горных пород. Точка стояния бурового станка расположена на одинаковом расстоянии от точек отбора керна во всех кустах скважин.

В три скважины каждого куста в каждой точке отбора керна устанавливали датчики упругих колебаний (предлагаемое устройство) и проводили измерения времени прохождения продольных волн между скважинами, т.е. t

, t

, t

.

В качестве генератора и регистрирующего прибора был использован прибор УК-10 МПС. При измерениях использовали предлагаемое устройство с пьезоэлементами, работающими на частоте 25 кГц. Погрешность измерения времени прохож- дения продольных волн между скважинами не превышала 1 - 2 мкс.

Упругие характеристики образцов керна песчаников определяли на гидравлическом прессе ЦД-100. Продольные и поперечные деформации образцов измеряли тензометрическими датчиками с базой 10 мм и сопротивлением 200 Ом. В качестве регистрирующей аппаратуры применяли мост ЦТМ-5.

Величины статического модуля упругости Е и коэффициента поперечных деформаций ν рассчитывали по известным формулам:
E =

· 10⁴
ν =

где Р - нагрузка на образец, кг;
S - площадь образца, см²;
ε₁ и ε₂ - относительные продольные и поперечные деформации образца. Акустические характеристики образцов керна определяли с помощью ультразвукового прибора УК-10 ПМС. Высота керна выбиралась из соотношения h/D = 2. Средняя плотность пород песчаников составила ρ = =2,50 г/см³. На образцах керна высотой h = 15,2 см измеряли время распространения продольных волн t^обр. Погрешность измерения времени распространения упругих волн в образцах составила ± 0,2 мкс.

Используя полученные данные Е, ν, t

, t

, t

, t^обр, напряжения в массиве в точках измерений для каждого куста скважин определяли по формуле
σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°,60°,1}}{\text{I,II,III}}$ ^20°=

1 -

Нормальные и касательные напряжения массива в плоскостях перпендикулярно направлениям осей x, y, z каждого из трех кустов скважин вычисляем по формулам:

,

,

=

+

,

,

=

σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0°}}{\text{I,}}$ _II,III +

+

,

,

=

Главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния массива определяли из следующих соотношений
σ_Y=

σ_X=

σ_Z=

В качестве базового объекта для определения величин главных 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 направлении оси z, и в скв. 2, пробуренной в направлении оси х (фиг. 1 и 2).

При измерениях деформаций торца керна по методу разгрузки использовалась четырехдатчиковая розетка с ориентировкой тензодатчиков под углами 0^о, 45^о, 90^о, 135^о. По этой же схеме расположения тензодатчиков величины максимальных и минимальных деформаций и их направления определялись по формулам:

=

±

=

±

ε_1,2=

φ′=

arctg

φ″ = 45^° +

arctg

φ =

где ε₀, ε₄₅, ε₉₀, ε₁₃₅ - относительные деформации, измеренные по направлениям 0^о, 45^о, 90^о и 135^о от условного нулевого направления; φ - угол между направлением максимальной деформации ε₁ и деформацией ε_oнулевого направления.

Затраты времени на проведение измерений относительных деформаций торца керна по методу разгрузки массива составили 2 - 4 ч.

Напряжения для каждой точки измерений в массиве определялись по формуле

=

где ε₁ и ε₂ - максимальные и минимальные относительные деформации; Е - модуль упругости, МПа; ν - коэффициент Пуассона.

Нормальные и касательные напряжения в направлении перпендикулярно оси z и х вычислялись по формулам:
σ_y ^,=σ₁ ^,˙cos²φ+σ₂ ^,˙sin²φ;
σ_x ^,=σ₁ ^,˙sin²φ+σ₂ ^,˙cos²φ;
τ_xy ^,=(σ₁ ^,-σ₂ ^,)sinφ˙cosφ;
σ_y ^,,,=σ₁ ^,,,˙sin²φ+σ₂ ^,,,˙cos²φ;
σ_z ^,,,=σ₁ ^,,,˙cos²φ+σ₂ ^,,,˙sin²φ;
τ_yz ^,,,=(σ₁ ^,,,-σ₂ ^,,,)sinφ˙cosφ
Так как скв. 1 (куст 1) была пробурена в направлении оси z и главного нормального напряжения σ_Z, при этом φ

90^о, τ_yz ^,,,= 0, то напряжения в направлении перпендикулярно оси х будут соответственно равны σ_y ^,,, = σ_Y и σ_z ^,,,=σ_Z.

Главные нормальные напряжения определялись по формулам
σ_YX=

(

+

) ±

σ_Y=σ_y ^,,,;σ_Z=σ_z ^,,,.

В табл. 1 - 3 приведены результаты определений нормальных и касательных напряжений в массиве с использованием базового и предлагаемого способов.

Судя по данным таблиц, использование предлагаемого способа и устройства позволило повысить точность определения напряжений в массиве по сравнению с базовым. Погрешность определения нормальных напряжений σ_y,σ_x,σ_z в массиве базовым способом составила 10-25 %, предлагаемым способом с использованием предлагаемого устройства не превышала 5 %.

В табл. 4 приведены результаты определений главных нормальных напряжений в массиве, полученные с помощью данного способа и устройства, и сравнения этих результатов с данными методом торцевой разгрузки.

Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства позволило повысить точность определения главных нормальных напряжений в массиве по сравнению с трудоемким методом разгрузки. Точность определения напряжений в массиве предлагаемым способом и устройством составила не более 5 %. Затраты времени в каждой точке измерений времени распространения упругих волн в межскважинном пространстве составили 0,1 ч.

Способ и устройство могут найти применение при исследованиях и контроле напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов систем разработки.

Claims (2)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.
2. 1. Способ определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород, включающий бурение в массиве в трех ортогональных плоскостях трех кустов из трех параллельных скважин, отбор образцов керна из исследуемого массива, 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, отличающийся тем, что кусты скважин бурят по вершинам равностороннего треугольника, одну из сторон которого принимают за начальное нулевое направление, при этом расстояние между скважинами выбирают равным 10 диаметрам скважин, образцы керна отбирают из трех кустов скважин на равном расстоянии от точки стояния бурового станка и измеряют время распространения продольных волн в образцах горных пород при высоте образцов, равном 2 диаметрам скважин, измеряют время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве в точках отбора керна между датчиками, расположенными соосно, определяют напряжения в точках измерений в каждом кусте скважин в направлении 0,60, 120^o от первоначального нулевого направления по формуле
   

   

   
   где E - модуль упругости, МПа;
   ν - коэффициент Пуассона;
   h - высота образцов керна, см;
   L - база измерений между скважинами, см;
   t $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{0,60,120}}{\text{I,II,III}}$ - время прохождения продольных волн в межскважинном пространстве, измеренное в каждом кусте скважин в направлении 0,60, 120^o относительно первоначального направления, мкс;
   t $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{обр}}{\text{I,I}}$ _I,III - время распространения продольных волн в образцах керна, отобранных в каждом кусте скважин, мкс,
   вычисляют нормальные и касательные напряжения массива в трех ортогональных плоскостях в каждом из трех кустов скважин, а главные нормальные напряжения для условий объемного напряженного состояния массива определяют из следующих соотношений
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   2. Устройство для определения главных нормальных напряжений в массиве горных пород, включающее пьезоэлементы, размещенные в цилиндрическом корпусе с опорной пластиной, подвешенной к крышкам корпуса на звукоизолированных упругих растяжках, и прижимной элемент, отличающееся тем, что пьезоэлементы развернуты в плоскости относительно друг друга на 60^o.

Images