RU2292456C1 - Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method - Google Patents
Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2292456C1 RU2292456C1 RU2005117305/03A RU2005117305A RU2292456C1 RU 2292456 C1 RU2292456 C1 RU 2292456C1 RU 2005117305/03 A RU2005117305/03 A RU 2005117305/03A RU 2005117305 A RU2005117305 A RU 2005117305A RU 2292456 C1 RU2292456 C1 RU 2292456C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- ring
- rock
- plastic substance
- bushings
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Технические решения относятся к горному делу и могут быть использованы для оценки напряженного состояния горных пород в окрестности горной выработки.Technical solutions relate to mining and can be used to assess the stress state of rocks in the vicinity of a mine.
Известен способ определения напряженного состояния горных пород по авт. свид. СССР №1209863, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №5, 1986 г., включающий образование и герметизацию камеры в скважине, пробуренной на исследуемом участке, нагнетание в камеру жидкости до критического давления, приводящего к гидроразрыву пород, и определение ориентации плоскости гидроразрыва. Величину минимальной составляющей поля напряжений определяют по величине критического давления, а ее направление принимают соответствующим нормали к плоскости гидроразрыва. При этом камеру образуют сферической формы, измеряют максимальный и минимальный размеры плоскости гидроразрыва, определяют их соотношение, по которому судят об отношении максимальной и средней компонент поля напряжений.A known method for determining the stress state of rocks by ed. testimonial. USSR No. 1209863, class E 21 C 39/00, publ. in BI No. 5, 1986, which includes the formation and sealing of the chamber in a well drilled in the studied area, injection of fluid into the chamber to a critical pressure, leading to hydraulic fracturing, and determination of the orientation of the hydraulic fracturing plane. The value of the minimum component of the stress field is determined by the value of the critical pressure, and its direction is assumed to be normal to the fracture plane. In this case, the chamber is formed into a spherical shape, the maximum and minimum sizes of the fracturing plane are measured, and their ratio is determined by which the ratio of the maximum and average components of the stress field is judged.
Этот способ сложен в реализации из-за необходимости определения геометрических параметров гидроразрыва внутри непрозрачной среды. Кроме того, создание в массиве абразивных горных пород камеры сферической формы без концентраторов напряжений (полос на внутренней поверхности камеры), существенно влияющих на ориентацию плоскости гидроразрыва, представляет известные технические трудности.This method is difficult to implement due to the need to determine the geometrical parameters of hydraulic fracturing inside an opaque medium. In addition, the creation in a massif of abrasive rocks of a spherical-shaped chamber without stress concentrators (bands on the inner surface of the chamber) that significantly affect the orientation of the fracturing plane presents well-known technical difficulties.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ оценки напряженного состояния горных пород по авт. свид. СССР №857484, кл. Е 21 С 39/00, опубл. в БИ №31, 1981 г., включающий бурение скважины, герметизацию в ней камеры, нагнетание жидкости до критического давления, приводящего к гидроразрыву, и разгерметизацию камеры. После разгерметизации камеры в скважину вводят перископическое устройство, ориентируют его до совпадения реперной нити окуляра со следами плоскости гидроразрыва, фиксируют пространственную ориентацию плоскости гидроразрыва и по ней судят о направлении большей компоненты поля напряжений.The closest in technical essence and the set of essential features is a method for assessing the stress state of rocks according to ed. testimonial. USSR No. 857484, cl. E 21 C 39/00, publ. in BI No. 31, 1981, which includes drilling a well, sealing the chamber in it, injecting fluid to a critical pressure leading to hydraulic fracturing, and depressurizing the chamber. After depressurization of the chamber, a periscope device is introduced into the well, it is oriented until the reference filament of the eyepiece coincides with the traces of the fracturing plane, the spatial orientation of the fracturing plane is fixed and the direction of the greater component of the stress field is judged by it.
Способ является относительно трудоемким из-за необходимости определения ориентации плоскости гидроразрыва. Он применим для изотропной среды, в которой отсутствуют естественные трещины и плоскости ослабления, оказывающие определяющее влияние на ориентацию плоскости гидроразрыва. Следует отметить, что на ориентацию плоскости гидроразрыва существенное влияние оказывают также размеры камеры и герметизирующих ее устройств.The method is relatively time-consuming due to the need to determine the orientation of the fracturing plane. It is applicable for an isotropic medium in which there are no natural cracks and weakening planes that have a decisive influence on the orientation of the fracturing plane. It should be noted that the orientation of the fracturing plane is also significantly affected by the dimensions of the chamber and its sealing devices.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по авт. свид. №1573171, кл. Е 21 С 37/06, Е 21 В 43/26, опубл. в БИ №23, 1990 г., включающее заполненный рабочим телом корпус в виде стакана с кольцевым упорным буртом на наружной поверхности у днища и радиальными выходными отверстиями, нажимное кольцо, насаженное на корпус с возможностью продольного перемещения, кольцевые герметизаторы трапецеидального поперечного сечения, соосно насаженные на корпусе между упорным буртом и нажимным кольцом с образованием между ними кольцевой щели треугольного поперечного сечения с основанием, прилегающим к радиальным отверстиям, узел продольного перемещения нажимного кольца в виде соосной с корпусом и связанной с ним резьбой трубы с поворотной рукояткой, узел создания давления рабочего тела в корпусе в виде соосного и оппозитного днищу корпуса поршня со штоком и дополнительной поворотной рукояткой, тарельчатые пружины с радиальными прорезями на периферии, соосно установленные на образующих кольцевую щель поверхностях кольцевых герметизаторов, и трубчатую втулку, охватывающую корпус на уровне расположения нажимного кольца с прилегающим к нему кольцевым герметизатором и расположенной между торцом трубы и ближайшей к ней тарельчатой пружиной. На наружной поверхности корпуса выполнен кольцевой выступ для упора в него внутреннего края тарельчатой пружины со стороны упорного бурта.A device for the formation of directed cracks in wells according to ed. testimonial. No. 1573171, cl. E 21 C 37/06, E 21 B 43/26, publ. in BI No. 23, 1990, including a housing filled with a working fluid in the form of a glass with an annular thrust collar on the outer surface at the bottom and radial outlet openings, a pressure ring mounted on the housing with the possibility of longitudinal movement, ring sealants of a trapezoidal cross section, coaxially mounted on the housing between the thrust collar and the pressure ring with the formation of an annular gap between them of a triangular cross section with a base adjacent to the radial holes, the longitudinal movement unit push there are a lot of rings in the form of a pipe coaxial with the body and the associated thread with a rotary handle, a node for creating a working fluid pressure in the body in the form of a coaxial and opposed piston bottom with a rod and an additional rotary handle, disk springs with radial slots on the periphery, coaxially mounted on the surfaces of the annular sealants forming an annular gap and the tubular sleeve covering the housing at the level of the location of the pressure ring with the annular sealant adjacent to it and located between rtsom pipe and nearest thereto diaphragm spring. An annular protrusion is made on the outer surface of the housing to abut against it the inner edge of the disk spring from the side of the thrust collar.
В этом устройстве не предусмотрена возможность измерения давления в герметизированной зоне скважины. Кроме того, под действием создаваемого внутри него давления сжимаются кольцевые герметизаторы, разрывается горная порода, преодолевается трение между корпусом и подвижными деталями. Поэтому оно не может быть использовано для определения давления, обусловленного только свойствами и состоянием горной породы.This device does not provide the ability to measure pressure in the sealed area of the well. In addition, under the pressure created inside it, the annular sealants are compressed, the rock is torn, the friction between the body and moving parts is overcome. Therefore, it cannot be used to determine the pressure due only to the properties and condition of the rock.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для образования направленных трещин по патенту РФ №2184214, кл. Е 21 В 37/06, опубл. в БИ №18, 2002 г., включающее трубу, последовательно установленные на конце трубы герметизатор из эластичного материала и распорное кольцо, систему нагнетания жидкости в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора. На конце трубы выполнена коническая резьба, а распорное кольцо заострено по внешней окружности, выполнено с прорезью и торцевыми отверстиями, в которые вставлены стержни, и образует с трубой винтовую пару.The closest in technical essence and combination of essential features is a downhole device for the formation of directed cracks according to the patent of the Russian Federation No. 2184214, class. E 21 B 37/06, publ. in BI No. 18, 2002, which includes a pipe, a sealant made of elastic material and a spacer ring, a system for pumping liquid into the pipe, a pipe rotation unit relative to the sealant, sequentially installed at the end of the pipe. A conical thread is made at the end of the pipe, and the spacer ring is pointed around the outer circumference, made with a slot and end holes into which the rods are inserted, and forms a screw pair with the pipe.
Это устройство предназначено для проведения поперечного разрыва возле забоя скважины, ибо способно герметизировать ее (скважину) только с одной стороны формируемой трещины. Оно не снабжено устройством для измерения давления в зоне разрыва горной породы. Использовать его для оценки напряженного состояния горных пород не представляется возможным.This device is designed to conduct a transverse fracture near the bottom of the well, because it is able to seal it (the well) only on one side of the generated fracture. It is not equipped with a device for measuring pressure in the rock fracture zone. It is not possible to use it to assess the stress state of rocks.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости и расширении области применения устройства за счет возможности разрыва горной породы на любом расстоянии от забоя скважины и измерения давления в центре формируемой трещины.The technical problem to be solved is to increase the efficiency of the method by reducing the complexity and expanding the scope of the device due to the possibility of fracturing the rock at any distance from the bottom of the well and measuring the pressure in the center of the generated fracture.
Задача решается тем, что в способе оценки напряженного состояния горных пород, включающем бурение скважины, формирование трещины разрывом горной породы, измерение давления разрыва, согласно предлагаемому техническому решению разрыв горной породы осуществляют пластичным веществом в плоскостях, параллельных стенкам выработки, при этом оценку напряженного состояния горных пород проводят по параметрам нагнетания пластичного вещества в формируемую скважину.The problem is solved in that in the method for assessing the stress state of rocks, including drilling a well, forming a crack with a rock break, measuring the pressure of the gap, according to the proposed technical solution, the rock is fractured with plastic substance in planes parallel to the walls of the mine, while assessing the stress state of the rocks rocks are carried out according to the parameters of injection of plastic substance into the well being formed.
Использование пластичного вещества обеспечивает управляемость процессом формирования трещин. Формирование трещин в плоскостях, параллельных стенкам выработки, позволяет воздействовать на породный массив в направлении, совпадающем с усилием, от которого образуются трещины, обусловленные естественным полем напряжений. Поэтому напряженное состояние горных пород можно оценивать, используя только параметры нагнетания пластичного вещества в формируемые трещины, что существенно снижает трудоемкость способа, повышая его эффективность.The use of a plastic substance ensures controllability of the crack formation process. The formation of cracks in planes parallel to the walls of the excavation allows the rock mass to be affected in the direction coinciding with the force from which cracks form due to the natural stress field. Therefore, the stress state of the rocks can be assessed using only the parameters of injection of plastic substance into the formed cracks, which significantly reduces the complexity of the method, increasing its effectiveness.
Целесообразно определять энергию, затрачиваемую на нагнетание в каждую из формируемых трещин пластичного вещества фиксированного объема, и осуществлять оценку напряженного состояния горных пород осуществляют по формулеIt is advisable to determine the energy spent on injection into each of the formed cracks of a plastic substance of a fixed volume, and to evaluate the stress state of the rocks is carried out according to the formula
где σ - напряжение в зоне формирования трещины;where σ is the stress in the crack formation zone;
σр - прочность горной породы на растяжение;σ p - tensile strength of the rock;
W - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема в зоне оценки напряжения;W is the energy spent on supplying a fixed volume of plastic substance of a fixed volume into the crack to form a stress assessment zone;
W0 - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину пластичного вещества фиксированного объема при отсутствии напряжения.W 0 is the energy expended on supplying a fixed volume of plastic substance into the formed crack in the absence of stress.
Это позволяет оценивать напряженное состояние горных пород по интегральной величине (интегралу произведения объема на давление), существенно снижающей вероятность ошибок, обусловленных случайными факторами.This allows you to evaluate the stress state of rocks by the integral value (the integral of the product of volume by pressure), which significantly reduces the probability of errors due to random factors.
Целесообразно разрыв горной породы осуществлять пластичным веществом, свойства которого постоянны во времени и не зависят от горного давления. Это обеспечивает возможность слежения за изменением напряженного состояния горных пород в течение длительного времени путем периодической подачи в формируемые трещины дополнительных порций пластичного вещества.It is advisable to break the rock with a plastic substance whose properties are constant in time and do not depend on rock pressure. This makes it possible to monitor changes in the stress state of rocks for a long time by periodically supplying additional portions of plastic substance to the formed cracks.
Целесообразно при этом в качестве пластичного вещества использовать пластилин. Это исключает необходимость в разработке специального вещества, ибо можно обойтись серийно выпускаемым и общедоступным пластилином со стандартными характеристиками, удовлетворяющими требованиям заявляемого способа.It is advisable to use plasticine as a plastic substance. This eliminates the need to develop a special substance, because you can do with commercially available and generally available plasticine with standard characteristics that satisfy the requirements of the proposed method.
Целесообразно пластичное вещество в формируемые трещины подавать периодически фиксированными порциями. Это существенно снижает влияние на конечный результат неучитываемых факторов и облегчает обработку результатов измерения (благодаря идентичности единиц измерения).It is advisable that the plastic substance be fed into the formed cracks periodically in fixed portions. This significantly reduces the impact on the final result of unaccounted factors and facilitates the processing of measurement results (due to the identity of the units).
Целесообразно до разрыва горной породы по линиям пересечения формируемых трещин и скважин выполнять концентраторы напряжений. Это практически исключает влияние случайных факторов на ориентацию формируемой трещины.It is advisable to break the rocks along the lines of intersection of the formed cracks and wells to carry stress concentrators. This virtually eliminates the influence of random factors on the orientation of the formed crack.
Задача решается также тем, что устройство для оценки напряженного состояния горных пород, включающее трубу с внешней резьбой на конце, герметизатор из эластичного материала, заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, систему нагнетания пластичного вещества в трубу, узел вращения трубы относительно герметизатора, согласно предлагаемому техническому решению снабжено кольцом с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, на болты с обеих сторон кольца надеты пружины. При этом в кольцо вмонтирован датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе, соединен с регистратором. На трубу и кольцо навинчены втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями с обоих концов и коническим выступом на одном конце. На каждой из втулок последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, при этом втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, а расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца и длины внешней резьбы трубы.The problem is also solved by the fact that the device for assessing the stress state of rocks, including a pipe with an external thread at the end, a sealant made of elastic material, a spacer ring with a slit pointed around the outer circumference, a system for pumping plastic substance into the pipe, a pipe rotation unit relative to the sealant, according to the proposed technical solution is equipped with a ring with external and internal thread and end holes through which the bolts connected to the pipe from its end by a threaded connection are passed, on lty on both sides of the ring spring wearing. At the same time, a pressure sensor is mounted in the ring, the cable from which is passed sequentially through an opening made in one of the bolts, a side hole made in the pipe, a groove made along the outer surface of the pipe, and is connected to the recorder through a connector mounted on the pipe. Sleeves with a female thread, tapered recesses at both ends and a tapered protrusion at one end are screwed onto the pipe and ring. A spacer ring with a slot and a sealant made of elastic material are sequentially installed on each of the bushings, the bushings are in contact with each other by the large bases of the conical protrusions, and the distance between the internal thread of the contacting bushings is greater than the thickness of the ring and the length of the external pipe thread.
Наличие в устройстве кольца с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями, через которые пропущены болты, связанные с трубой с ее торца резьбовым соединением, позволяет деталям, находящимся по обе стороны формируемой трещины, раздвигаться в момент разрыва горной породы. Это существенно снижает влияние конструкции устройства на давление, при котором в стенках скважины возникает трещина. Пружины, надетые на болты с обеих сторон кольца, удерживают кольцо на нужном расстоянии от торца трубы и позволяют вкручивать трубу и кольцо во втулки даже в тех случаях, когда втулки оказываются повернутыми друг относительно друга на неопределенный угол. Это значительно снижает требования к точности установки втулок в скважине, что облегчает эксплуатацию устройства. Вмонтированный в кольцо датчик давления, кабель от которого пропущен последовательно через отверстие, выполненное в одном из болтов, боковое отверстие, выполненное в трубе, канавку, выполненную вдоль внешней поверхности трубы, и через разъем, установленный на трубе и соединенный с регистратором, обеспечивает измерение давления в центре формируемой трещины. Навинченные на трубу и кольцо втулки с внутренней резьбой, коническими углублениями на обоих концах и коническим выступом на одном конце, на каждую из которых последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью и герметизатор из эластичного материала, герметизируют скважину и концентрируют напряжение по заданной линии. Из-за того, что втулки контактируют между собой большими основаниями конических выступов, герметизированный участок скважины оказывается предельно малым. Это существенно снижает влияние различных факторов (в частности, естественных трещин) на ориентацию плоскости разрыва горной породы. За счет того, что расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок больше толщины кольца, становится возможным вкручивать трубу и кольцо во втулки независимо от взаимного угла поворота втулок. Так как длина внешней резьбы трубы также меньше расстояния между внутренней резьбой контактирующих втулок, ее вместе с кольцом можно прокручивать (проходить) через втулки (с произвольным взаимным углом поворота) для формирования трещины на другом участке скважины. В результате расширяется область применения устройства за счет возможности разрыва горной породы на любом расстоянии от забоя скважины и измерения давления в центре формируемой трещины.The presence in the device of a ring with external and internal thread and end holes through which the bolts are connected, connected to the pipe from its end by a threaded connection, allows parts located on both sides of the formed crack to move apart at the time of rock fracture. This significantly reduces the effect of the design of the device on the pressure at which a crack occurs in the walls of the well. The springs mounted on the bolts on both sides of the ring hold the ring at the right distance from the end of the pipe and allow the pipe and ring to be screwed into the bushings even when the bushings are turned relative to each other at an undefined angle. This significantly reduces the requirements for the accuracy of installation of the bushings in the well, which facilitates the operation of the device. A pressure sensor mounted in the ring, the cable from which is passed sequentially through a hole made in one of the bolts, a side hole made in the pipe, a groove made along the outer surface of the pipe and through a connector mounted on the pipe and connected to the recorder, provides pressure measurement in the center of the formed crack. Sleeves screwed onto the pipe and ring with an internal thread, tapered recesses at both ends and a tapered protrusion at one end, on each of which a spacer ring with a slot and a sealant made of elastic material are sequentially mounted on the outer circumference, seal the well and concentrate the stress along a given line . Due to the fact that the bushings are in contact with each other by the large bases of the conical protrusions, the sealed section of the well turns out to be extremely small. This significantly reduces the influence of various factors (in particular, natural cracks) on the orientation of the rock fracture plane. Due to the fact that the distance between the internal thread of the contacting bushings is greater than the thickness of the ring, it becomes possible to screw the pipe and ring into the bushings, regardless of the mutual rotation angle of the bushings. Since the length of the external thread of the pipe is also less than the distance between the internal thread of the contacting sleeves, it together with the ring can be scrolled (passed) through the sleeves (with an arbitrary mutual angle of rotation) to form a crack in another section of the well. As a result, the field of application of the device expands due to the possibility of fracturing the rock at any distance from the bottom of the well and measuring pressure in the center of the generated fracture.
Целесообразно диаметр распорного кольца с прорезью в исходном состоянии выполнять меньшим, чем диаметр большего основания конического выступа втулки. Это обеспечивает беспрепятственную подачу устройства в скважину.It is advisable that the diameter of the spacer ring with a slot in the initial state is smaller than the diameter of the larger base of the conical protrusion of the sleeve. This ensures unhindered flow of the device into the well.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами.The essence of the technical solution is illustrated by an example of a specific design and drawings.
На фиг.1 показана схема реализации способа оценки напряженного состояния горных пород (далее - способ); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;Figure 1 shows a diagram of a method for assessing the stress state of rocks (hereinafter - the method); figure 2 is a section aa in figure 1;
на фиг.3 - общий вид устройства для оценки напряженного состояния горных пород (далее - устройство для реализации способа), продольный разрез; на фиг.4 - заостренное по внешней окружности распорное кольцо с прорезью, разрез по оси.figure 3 is a General view of a device for assessing the stress state of rocks (hereinafter - a device for implementing the method), a longitudinal section; figure 4 - pointed on the outer circumference of the spacer ring with a slot, a section along the axis.
Способ реализуют следующим образом.The method is implemented as follows.
Перпендикулярно стенкам выработки 1 (фиг.1, 2) бурят скважины 2, через которые формируют трещины 3 разрывом горной породы пластичным веществом, например, пластилином, в плоскостях, параллельных стенкам выработки 1. При этом измеряют давление пластилина, который подают в формируемые трещины 3 периодически фиксированными порциями. Определяют энергию, затрачиваемую на нагнетание в каждую из формируемых трещин 3 пластилина фиксированного объема, и по ней оценивают напряженное состояние горных пород.Perpendicular to the walls of the excavation 1 (FIGS. 1, 2),
Разрыв горной породы происходит суммарным усилием, обусловленным напряжениями в породном массиве и нагнетанием в формируемую трещину 3 пластилина. Поэтому давление разрыва, при котором формируют трещину 3, функционально зависит от напряженного состояния горных пород. Кроме напряженного состояния горных пород, на давление разрыва существенное влияние оказывают также режим нагнетания пластилина, параметры концентратора напряжения (выполняемые для задания ориентации плоскости разрыва), прочность горной породы, размеры и ориентация формируемой трещины 3. В предлагаемом способе влияние различных факторов (не обусловленных напряжением) на конечный результат нейтрализуют идентичностью воздействия на породный массив во всех точках измерения. При этом напряженное состояние горных пород оценивают по относительному изменению определяемых величин, полученных для разных точек в фиксированное время и для одних и тех же точек в различные моменты времени. Кроме того, чтобы минимизировать влияние указанных факторов и тем самым повысить чувствительность и точность способа, применяют следующую методику проведения измерения и обработки их результатов. Пластилин нагнетают с расходом несколько кубических миллиметров в секунду. Такой малый расход необходим для того, чтобы непосредственно во время подачи пластилина давление внутри формируемой трещины 3 успевало перераспределяться, от чего оно не зависело бы от режима нагнетания (давление пластичного вещества практически не изменяется от изменения его расхода в пределах малых значений). При обработке результатов измерения критическое (максимальное) давление разрыва, соответствующее возникновению трещины 3 (разрыву горной породы в начальный момент), и его скачок после разрыва горной породы не учитывают. Этим исключают влияние параметров концентратора напряжения и частично прочности горной породы на конечный результат. При ориентации плоскостей разрыва параллельно стенкам выработки усилия от нагнетания пластилина в формируемые трещины 3 совпадают с усилиями, обусловленными напряженным состоянием горных пород.Rupture of the rock occurs by the total force due to stresses in the rock mass and injection of 3 clay into the formed crack. Therefore, the burst pressure at which the
Напряженное состояние горных пород оценивают по параметрам нагнетания пластилина, например, по энергии W, затрачиваемой на нагнетание в каждую из формируемых трещин 3 пластилина, которую определяют из выраженияThe stress state of the rocks is estimated by the parameters of plasticine injection, for example, by the energy W spent on injection of plasticine into each of the formed
где n - количество порций пластилина, суммарный объем которых подан в формируемую трещину 3;where n is the number of portions of plasticine, the total volume of which is fed into the formed
Рn - давление, при котором в формируемую трещину 3 подают n-ю порцию пластилина;P n is the pressure at which the nth portion of plasticine is fed into the formed
Vn - объем пластилина в n-й порции.V n is the volume of plasticine in the nth portion.
Отметим, что для повышения точности определения энергии W суммарный объем поданного пластилина делят на равные по объему 50÷100 порций, а в выражении (1) давление P1 принимают равным его значению, которое оказывается в конце нагнетания первой порции пластилина объемом V1. Этим исключают из расчетов скачок давления, связанный с возникновением начальной трещины и обусловленный прочностью горной породы, а также величиной концентрации напряжений по линии пересечения плоскости разрыва со скважиной (параметрами концентратора напряжений). При проведении разрывов по указанной методикеNote that to increase the accuracy of determining the energy W, the total volume of plasticine fed is divided into 50–100 portions equal in volume, and in expression (1), pressure P 1 is taken equal to its value, which turns out to be at the end of injection of the first portion of plasticine with a volume of V 1 . This excludes from the calculations a pressure jump associated with the occurrence of the initial crack and due to the strength of the rock, as well as the value of the stress concentration along the line of intersection of the fracture plane with the well (stress concentrator parameters). When conducting breaks according to the specified method
где W0 - энергия, затрачиваемая на подачу в формируемую трещину 3 пластилина фиксированного объема при отсутствии напряжения σ в зоне формирования трещины 3 (σ=0);where W 0 is the energy spent supplying a plasticine of fixed volume into the
К - коэффициент, зависящий от механических свойств горных пород в породном массиве.K is a coefficient depending on the mechanical properties of rocks in the rock mass.
Плоскость разрыва ориентируют перпендикулярно вектору силы, разрывающей горную породу. Поэтому в первом приближении можно считать, что расслоение породного массива (образование одиночной трещины протяженностью в несколько метров), обусловленное только напряженным состоянием горной породы, происходит при условии достижения величиной напряжения предела прочности горной породы на растяжение. При этом энергия W, затрачиваемая на подачу фиксированного объема пластилина, оказывается минимальной Wmin (не расходуется на разрыв горной породы). Для такого случая выражение (2) принимает следующий видThe plane of the gap is oriented perpendicular to the vector of the force tearing the rock. Therefore, in a first approximation, we can assume that the stratification of the rock mass (the formation of a single crack several meters long), caused only by the stressed state of the rock, occurs when the value of the tensile strength of the rock is reached. In this case, the energy W expended on supplying a fixed volume of plasticine turns out to be minimal W min (not spent on breaking the rock). For this case, expression (2) takes the following form
где σр - прочность горной породы на растяжение.where σ p - tensile strength of the rock.
Разделив (2) на (3) и после соответствующих преобразований, принимая во внимание, что Wmin≪W0 и W0-Wmin≈W0, имеемDividing (2) to (3), and after appropriate transformations, taking into account that W min «W 0 and W 0 -W min ≈W 0, we have
В выражении (4) предел прочности на растяжение σр находят по известным методикам (как правило, эта величина является известной). W0 определяют на извлеченном из массива блоке горной породы (можно на образце), W - по результатам измерений при формировании трещин 3.In expression (4), the tensile strength σ p is found by known methods (as a rule, this value is known). W 0 is determined on the rock block extracted from the massif (it is possible on the sample), W - according to the results of measurements during the formation of
Отметим, что величину σ в выражении (4) нельзя рассматривать как абсолютное значение одной из компонент тензора поля напряжений (из-за большой неточности, обусловленной сложным характером поля напряжений вблизи горной выработки). Вместе с этим она напрямую связана с вектором напряжения, который оказывает решающее влияние на процесс дезинтеграции горных пород. Поэтому по ее значению можно оценивать напряженное состояние горной породы и отслеживать его изменение во времени.Note that the value of σ in expression (4) cannot be considered as the absolute value of one of the components of the stress field tensor (due to the large inaccuracy due to the complex nature of the stress field near the mine). At the same time, it is directly related to the stress vector, which has a decisive influence on the process of rock disintegration. Therefore, by its value, it is possible to evaluate the stress state of the rock and track its change over time.
Оценка напряженного состояния горных пород по энергии W (интегральной характеристике) нагнетания пластилина фиксированного объема существенно снижает влияние случайных факторов (скачки во время возникновения и в процессе роста трещины 3), на которые реагирует давление.Assessment of the stress state of rocks from the energy W (integral characteristic) of injection of plasticine of a fixed volume significantly reduces the influence of random factors (jumps during the occurrence and during crack growth 3), to which pressure responds.
В качестве пластичного вещества, которым формируют трещину 3, используют пластилин по двум причинам. Во-первых, свойства пластилина не изменяются во времени и под действием высокого давления. Это позволяет подавать его в формируемые трещины 3 длительное время (периодически), исчисляемое месяцами (даже годами), и поэтому по различию в энергиях W нагнетания фиксированных объемов пластилина на разных участках породного массива можно судить об изменении напряжений во времени и пространстве за большой период. Следует также отметить, что в подавляющем большинстве случаев пластилин не смешивается (не растворяется и не вступает в химическую реакцию) с растворами (кроме органических соединений), которые присутствуют в породном массиве. Во-вторых, пластилин является общедоступным и обладает характеристиками, различие которых практически не сказывается на результатах измерения. Связано это с тем, что он изготавливается промышленностью в достаточно большом количестве и по ГОСТу. Поэтому отпадает необходимость в разработке и изготовлении специального вещества, а также определении его свойств перед использованием.As the plastic substance with which the
В предлагаемом способе скважины 2 бурят перпендикулярно стенкам выработки 1 и проводят через них разрывы в параллельных между собой и отстоящих друг от друга на заданных расстояниях плоскостях. В этом случае формирование трещин 3 осуществляют перпендикулярно скважинам 2 по известным технологиям, применяемым на горных предприятиях, что значительно облегчает реализацию способа. Расстояния между плоскостями в пределах одной скважины 2 выбирают такими, чтобы отсутствовало взаимное влияние формируемых трещин 3 друг на друга. Согласно исследованиям это расстояние не должно быть меньше максимального размера (предельного расстояния между границами) формируемой трещины 3. Путем вариации расстояниями между плоскостями в различных скважинах 2 можно, исключая взаимное влияние формируемых трещин 3, плоскости разрыва располагать на сколь угодно малом расстоянии друг относительно друга (трещины 3, формируемые в разных удаленных скважинах 2, друг на друга не влияют).In the proposed method,
Для минимизации влияния неучитываемых факторов на конечный результат пластилин в формируемые трещины 3 подают периодически фиксированными порциями. Особое значение такой режим нагнетания пластилина приобретает в случае, когда интервал времени между подачей порций пластилина исчисляется днями, неделями или даже месяцами. Отметим, что при этом устройство для реализации способа из скважины 2 не извлекают (зону разрыва горной породы оставляют герметизированной). Идентификация воздействия на породный массив облегчает также обработку результатов измерения из-за сокращения количества переменных в расчетных формулах.To minimize the influence of unaccounted factors on the final result, clay in the formed
Чтобы снизить влияние случайных факторов на ориентацию формируемой трещины 3, по линии пересечения ее и скважины 2 выполняют концентраторы напряжений (на фиг.1, 2 не показаны). Согласно опыту проведения разрывов для решения различных задач горного производства лучше всего в качестве концентратора напряжения использовать инициирующую щель в виде диска со смыкающими поверхностями или заостренное по внешней окружности раздвижное кольцо, которое внедряют в стенки скважины 2.To reduce the influence of random factors on the orientation of the formed
Устройство (фиг.3) для реализации способа включает трубу 4 с ручкой 5, внешней резьбой 6 на конце и внутренней резьбой 7. В трубу 4 вкручен винт 8 с ручкой 9. На свободном от винта 8 конце трубы 4 установлено кольцо 10 с внешней и внутренней резьбой и торцевыми отверстиями (на фиг.3 не обозначены), через которые пропущены болты 11, связанные с концом трубы 4 резьбовым соединением (на фиг.3 не обозначено). На болты 11 с обеих сторон кольца 10 надеты пружины 12. В кольцо 10 вмонтирован датчик 13 давления, кабель 14 от которого пропущен последовательно через отверстие (на фиг.3 не обозначено) в одном из болтов 11, боковое отверстие 15 в трубе 4, канавку 16 вдоль внешней поверхности трубы 4 и через разъем 17 на конце трубы 4 соединен с регистратором 18. На трубу 4 и кольцо 10 навинчены втулки 19 с внутренней резьбой (на фиг.3 не обозначена), коническими углублениями 20 на обоих концах и коническим выступом 21 на одном конце. На каждой из втулок 19 последовательно установлены заостренное по внешней окружности распорное кольцо 23 с прорезью 24 (фиг.4) и герметизатор 25 из эластичного материала. Втулки 19 контактируют между собой большими основаниями конических выступов 21. Расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок 19 больше толщины кольца 10. Диаметр распорного кольца 23 с прорезью 24 в исходном состоянии меньше диаметра большего основания конического выступа 21 втулки 19. Труба 4 заполнена пластилином 26. Устройство подано в скважину 2 для формирования трещины 3.The device (Fig. 3) for implementing the method includes a
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
Сборку устройства осуществляют непосредственно в скважине 2 по частям. Вначале в скважину 2 подают втулки 19 с последовательно установленными на них распорными кольцами 23 и герметизаторами 25 таким образом, чтобы конический выступ 21 одной втулки 19 контактировал с коническим выступом 21 другой втулки 19. До подачи последующих втулок 19 к предыдущим втулкам 19 прикладывают усилие в направлении забоя скважины 2 (например, трубой). Благодаря этому втулки 19 вдавливаются в герметизаторы 25 и коническими выступами 21 распирают распорные кольца 23, пытаясь вдавить их в стенки скважины 2. При этом герметизаторы 25, будучи в контакте с распорными кольцами 23, также распираются коническими выступами 21 и прижимаются к горной породе. В результате по линии контакта распорных колец 23 со стенками скважины 2 начинают концентрироваться напряжения, а за пределами распорных колец 23 скважина 2 герметизируется. После заполнения скважины 2 втулками 19 с установленными на них распорными кольцами 23 и герметизаторами 25 до нужного уровня (можно до устья скважины 2) в первую от устья скважины 2 втулку 19 вводят остальную часть устройства (трубу 4 с установленными на ней деталями). Затем с помощью ручки 5 во втулки 19 вкручивают трубу 4 и кольцо 10 таким образом, чтобы они (труба 4 и кольцо 10) оказались по разные стороны контакта конических выступов 21 втулок 19. Вращением винта 8 ручкой 9 в зону, ограниченную трубой 4 и кольцом 10, нагнетают пластилин 26 под давлением, которое измеряют датчиком 13 давления и записывают регистратором 18. Под действием давления пластилина 26 контактирующие между собой втулки 19 расходятся и увеличивают воздействие распорных колец 23 на горную породу. В результате на контакте одного из распорных колец 23 (не имеет значения какого) со стенками скважины 2 возникает трещина 3. Дальнейшее развитие трещины 3 происходит под действием давления проникающего в нее пластилина 26. Скорость вращения винта 8 (число оборотов в минуту) устанавливают, исходя из требований к расходу пластилина 26, и определяют по секундомеру. Количество m оборотов винта 8 вычисляют по заданному объему V пластилина из выраженияThe assembly of the device is carried out directly in the
где D - диаметр винта 8;where D is the diameter of the screw 8;
Δh - шаг резьбы винта 8.Δh is the thread pitch of screw 8.
Подав в формируемую трещину 3 нужный объем V пластилина 26, трубу 4 с установленными на ней другими деталями дальнейшим ее вращением перемещают на следующий участок. Отметим, что если трубу 4 нужно переместить к забою скважины 2, то участки измерения (втулки 19) проходят вращением ее в одном направлении (например, по часовой стрелке), а если от забоя скважины 2, то в противоположном направлении (против часовой стрелки). Сформировав все запланированные трещины 3, устройство извлекают из скважины 2.Having fed into the formed
В известных устройствах (в частности, в аналоге) герметизирующие скважину элементы, которые устанавливают по обе стороны плоскости разрыва, объединены между собой жесткой связью (например, корпусом). Поэтому подобные устройства проявляют эффект арматуры, препятствующей появлению разрывов. В таких случаях трещина возникает при давлениях больших, чем прочность горной породы. В предлагаемом устройстве этот недостаток отсутствует благодаря кольцу 10, способному перемещаться вдоль оси относительно трубы 4. Кольцо 10 и труба 4 объединяют детали, которые устанавливают по разные стороны формируемой трещины 3. Пружины 12 выполняют две функции. Во-первых, они удерживают кольцо 10 на нужном расстоянии от торца трубы 4. Во-вторых, благодаря пружинам 12 кольцо 10 может сближаться либо расходиться с трубой 4 только при наличии определенного усилия (несравненно меньшего, чем требуется для разрыва горной породы). Последнее условие необходимо для установки трубы 4 и кольца 10 по обе стороны формируемой трещины 3. Суть состоит в следующем. Допустим, трубу 4 с кольцом 10 перемещают сверху вниз (фиг.3) с тем, чтобы установить их между двумя контактирующими втулками 19 (первой и второй от устья скважины 2 на фиг.3). В первую втулку 19 после прохождения через нее кольца 10 начинают вкручивать трубу 4. Кольцо 10 доходит до резьбы второй втулки 19 и упирается в нее. Из-за того что вторая втулка 19 повернута относительно первой на произвольный угол, начало внешней резьбы кольца 10, как правило, не совпадает с началом резьбы второй втулки 19. Чтобы кольцо 10 начало вкручиваться в резьбу второй втулки 19, его нужно повернуть на соответствующий угол, прикладывая небольшое усилие в направлении забоя скважины 2. Усилие обеспечивается пружинами 12 между кольцом 10 и трубой 4, а возможность поворота кольца 10 - его способностью сближаться или расходиться с трубой 4 (до вхождения в резьбу второй втулки 19 кольцо 10 при вращении не перемещается, а труба 4 при вращении перемещается вдоль оси устройства). Аналогичным образом можно проходить все пары втулок 19. При этом не имеет значения, в каком направлении перемещают трубу 4 с установленными на ней деталями и что начинает взаимодействовать с резьбой втулки 19 в первую очередь (труба 4 или кольцо 10). Для измерения давления пластилина используют стандартный датчик 13 давления, например тензопреобразователь Д25, который монтируют в кольцо 10. Резьбу внутри втулки 19 нарезают на ее конце со стороны конического выступа 21. Длину резьбы выбирают немного большей толщины кольца 10. Делают это для облегчения прохождения через втулки 19 трубы 4 и кольца 10 (требуется меньшее число оборотов). За пределами резьбы внутренний диаметр втулок 19 выполняют таким, чтобы не создавалось препятствие для прохождения через них трубы 4 с установленными на ней деталями. Для этой же цели с торцов втулок 19, противоположных коническим выступам 21, выполняют конические углубления 20 (срезают торцы, за которые могут цепляться кольцо 10 и труба 4). При контакте втулок 19 конические углубления 20 со стороны конического выступа 21 образуют щель, в которую проникает пластилин 26, усиливая воздействие на распорное кольцо 23. Распорное кольцо 23 изготавливают из пружинной стали. Размеры прорези 24 в нем практически не влияют на его работу. Угол заострения по внешней окружности распорного кольца 23 выбирают, исходя из прочности горной породы, а также твердости стали, из которой его изготавливают. Расстояние между внутренней резьбой контактирующих втулок 19 делают больше толщины кольца 10 и длины внешней резьбы трубы 4. За счет этого ни кольцо 10 и ни труба 4 одновременно в обе контактирующие втулки 19 не вкручиваются (благодаря этому втулки 19 могут быть повернуты друг относительно друга на произвольный угол). Герметизатор 25 представляет собой трубку из эластичного материала. Он выполняет три функции. Во-первых, задает расстояние между втулками 19. Во-вторых, удерживает распорные кольца 23 от перемещения вдоль оси устройства до их контакта с горной породой. В-третьих, герметизирует скважину 2 на соответствующих участках. Из-за контакта втулок 19 между собой со стороны конического выступа 21 размеры герметизированного участка (между распорными кольцами 23) скважины 2 оказываются минимальными. Это существенно снижает влияние структуры (естественных трещин, плоскостей ослабления, различных включений) породного массива на ориентацию формируемой трещины 3.In known devices (in particular, in an analogue), well-sealing elements that are installed on both sides of the fracture plane are interconnected by a rigid connection (for example, a casing). Therefore, such devices exhibit the effect of reinforcement, which prevents the appearance of gaps. In such cases, a crack occurs at pressures greater than the strength of the rock. In the proposed device, this drawback is absent due to the
Диаметр распорного кольца 23 с прорезью 24 в исходном состоянии выбирают меньше, чем диаметр большего основания конического выступа 21 втулки 19. Благодаря этому распорные кольца 23 во время перемещения втулок 19 вдоль скважины 2 не цепляются за горную породу (произвольного распора в случайном месте не происходит).The diameter of the
Заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют проводить диагностику породного массива по реакции горных пород на силовое воздействие в виде разрыва пластичным веществом. Они могут применяться на любых горных предприятиях с опасными условиями ведения работ, обусловленными высоким горным давлением.The inventive method and device for its implementation allow to diagnose the rock mass by the reaction of rocks to force in the form of a gap with a plastic substance. They can be used at any mining enterprises with dangerous working conditions due to high mountain pressure.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005117305/03A RU2292456C1 (en) | 2005-06-06 | 2005-06-06 | Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005117305/03A RU2292456C1 (en) | 2005-06-06 | 2005-06-06 | Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005117305A RU2005117305A (en) | 2006-12-20 |
| RU2292456C1 true RU2292456C1 (en) | 2007-01-27 |
Family
ID=37666468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005117305/03A RU2292456C1 (en) | 2005-06-06 | 2005-06-06 | Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2292456C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472941C1 (en) * | 2011-07-26 | 2013-01-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | Coal bed hydraulic fracturing method |
| RU2478785C1 (en) * | 2011-09-14 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) Московский государственный горный университет (МГГУ) | Method to determine stresses in rock massif |
| RU2485313C1 (en) * | 2012-01-10 | 2013-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | Method to assess stressed condition of rocks |
| RU2512053C1 (en) * | 2012-10-18 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук | Rock oriented cutting device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112557135A (en) * | 2020-11-11 | 2021-03-26 | 核工业北京地质研究院 | Preparation and sealing method of rock sample containing cracks for multi-field coupling triaxial test |
-
2005
- 2005-06-06 RU RU2005117305/03A patent/RU2292456C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472941C1 (en) * | 2011-07-26 | 2013-01-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | Coal bed hydraulic fracturing method |
| RU2478785C1 (en) * | 2011-09-14 | 2013-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) Московский государственный горный университет (МГГУ) | Method to determine stresses in rock massif |
| RU2485313C1 (en) * | 2012-01-10 | 2013-06-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | Method to assess stressed condition of rocks |
| RU2512053C1 (en) * | 2012-10-18 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук | Rock oriented cutting device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005117305A (en) | 2006-12-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101793142B (en) | True triaxial drilling leakage blockage simulation assessment device | |
| RU2292456C1 (en) | Method for estimating strained condition of rock masses and device for realization of method | |
| Liang et al. | Response characteristics of coal subjected to hydraulic fracturing: An evaluation based on real-time monitoring of borehole strain and acoustic emission | |
| Puller et al. | In-situ stress measurements and stress change monitoring to monitor overburden caving behaviour and hydraulic fracture pre-conditioning | |
| CN106326513A (en) | Cable tensile force calculating and control method in logging system | |
| Qingling et al. | An analytical model for fracture initiation from radial lateral borehole | |
| US20120043077A1 (en) | Methods for borehole measurements of fracturing pressures | |
| CA2997173A1 (en) | Measurement of cement properties | |
| CN105241750B (en) | Pressurized head systems for indoor three axle hydraulic fracturings experiment | |
| CN114737925B (en) | Hydrofracturing coal rock mass gas seepage simulation device and extraction amount prediction method | |
| CN105628492A (en) | Test device for strength and seal property of oil well pipe under shear load | |
| Kuanhai et al. | Experimental investigation of the failure mechanism of P110SS casing under opposed line load | |
| CN108593174B (en) | Coal rock mass mining stress monitoring inclusion | |
| Hao et al. | Zonal disintegration phenomenon in enclosing rock mass surrounding deep tunnels—Elasto-plastic analysis of stress field of enclosing rock mass | |
| JP2004020432A (en) | Borehole jack type one-plane crushing stress measuring probe and apparatus using the same | |
| Brenne et al. | Hydraulic Fracturing of a Devonian Slate under confining pressure–with emphasis on cleavage inclination | |
| Tailakov et al. | Intensification of gas recovery from coal seams applying the method of hydrodynamic impact in horizontal boreholes | |
| Guglielmi et al. | Step-Rate Injection Method for Fracture In-Situ Properties (SIMFIP): Monitoring fractures stimulation efficiency | |
| Serdyukov et al. | Sealing of hydraulic fracturing interval with polymer bridges in coal seam | |
| Wu et al. | Mechanism of zonal disintegration phenomenon in enclosing rock mass around deep tunnels | |
| CN114737924B (en) | Horizontal well staged fracturing coal gas extraction simulation device and use method | |
| CN113266367B (en) | Automatic roof cutting method for hydraulic rod of hard roof roadway | |
| Widodo et al. | Analysis of pressurizing borehole wall in a hydraulic fracturing test in laboratory | |
| Serdyukov et al. | Down-the-hole device for measuring recovery and coal permeability | |
| RU2760271C1 (en) | Borehole device for hydraulic fracturing of rocks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090607 |