SU1484947A1 - Способ контроля за напряженно-деформированным состоянием угольного пласта - Google Patents

Description

Изобретение относится к горному делу. Цель — осуществление контроля одновременно за напряжениями и деформациями в пласте. Из выработки в угольном пласте бурят горизонтальную скважину и размещают в ней на равных по длине участках реперные устройства для измерения горизонтальных деформаций пласта. Из кернов, полученных при бурении, изготовляют образцы кубической формы и испытывают их на сжатие при нагружении по вертикальной оси Ζ до потери прочности и запрещении деформации по оси У с постоянным напряжением по другой оси. Изменяют величину

Изобретение относится к 'горному делу, в частности к методам определения и контроля напряженно-деформированного состояния угольного пласта вблизи протяженной выработки.

Црль изобретения — осуществление контроля одновременно за напряжениями и деформациями в пласте.

На фиг. 1 показана схема бурения скважины из выработки и размещения реперных устройств; на фиг. 2 — зависимость относительных горизонтальных деформаций ξ_χ угольного пласта от удаления А от контура выработки; на фиг. 3 — семейство

2

для каждого последующего образца ступенями от нуля до половины величины геостатического давления уН. Измеряют зависимость деформации образца И определяют семейство зависимостей ,

ξ?®**) по результатам испытаний всех об разцов. Затем определяют величину ,

соответствующую переходу образца в предельное состояние,' и по ее сравнению с деформацией ξ_χ пласта находят ширину Αι зоны пластических деформаций пласта. Далее, принимая условно, что вертикальные напряжения о_г в пластической зоне пласта изменяются по линейному закону от нуля на кромке пласта до уН на границе пластической зоны и равны уН в упругой зоне пласта, рассчитывают горизонтальные на- _с пряжения Οχι на расстоянии АЗ и в упругой $ зоне θχ(Α) по формулам. Затем сравнивают зависимости 0х=/(А) и^_х=/(А) пласта с зависимостями о^вг^Р=Я^ - определяют

вертикальные напряжения о_г в пласте. Используя последовательно эти значения для повторных расчетов о_х(А) и повторяя определение Ог , получают эпюру действующих в пласте напряжений. 4 ил.

зависимостей испытаний образцов угля; на фиг. 4 — эпюры вертикальных напряжений о_е в угольном пласте.

Способ осуществляется следующим образом.

Из горной подготовительной выработки 1, находящейся вне зоны влияния очистных работ, бурят горизонтальную скважину 2. Скважину 2 располагают в средней по высоте части пласта и ориентируют поперек выработки 1. Желательно бурить скважину 2 в непосредственной близости от забоя проведения выработки, чтобы деформации угольного пласта были мини5Ц 1484947

1484947

мальными. В скважине на равных участках по ее длине устанавливают глубинные реперные устройства 3, при помощи которых получают информацию об абсолютном и относительном растяжении угольного пласта в любой момент времени. В результате этих замеров получают данные (фиг. 2) об относительной деформации пласта по длине X скважины на любой момент времени. При бурении скважины 2 из нее извлекают керны, из которых изготавливают образцы кубической формы. Образцы испытывают на установке трехосного сжатия с соблюдением условий подобия реальному пласту таким образом, что во всех случаях по одной горизонтальной оси Υ образца деформации запрещены, а по другой горизонтальной оси X в продолжении каждого конкретного испытания одного образца напряжения поддерживаются постоянными. При этом активное нагружение образца производят по вертикальной оси Ζ. Первый образец испытывают при σ^=0, а последний при «1 /2уЯ, т. е. при половине величины вертикального геостатического давления в районе выработки. Другие образцы испытывают при некоторых промежуточных значениях σΤ⁶'', т. е. при 0<σ“ ^Р<1/2уД.

По результатам испытаний образцов угля построена зависимость величин горизонтальных деформаций ξ^ρ6ρ расширения образцов от вертикальных σ°^ и горизонтальных σ£⁶Ρ напряжений. Каждое испытание образца моделирует возможные состояния угольного пласта на различных стадиях его нагружения при различных удалениях моделируемых объемов угля от кромки пласта на контуре выработки. На фиг. 3 приведен график с результатами испытаний четырех образцов угля при равно 0 — кривая 4; 1,1 МПа —

кривая 5; 2,3 МПа — кривая 6 и 4,6 МПа — кривая 7.

Применяя к полученным зависимостям метод интерполяции (графический или аналитический), можно получить значение горизонтальной деформации угля ζ?*, соответствующее любому (в пределах границ испытаний) сочетанию напряжений σ?^ίρ и σ^ο£ίρ , а также получить семейство зависимостей:

σ’Μ'σΛ ξ/Ч

По указанным зависимостям при σ?^ = =0 (кривая 4, фиг. 3) находят значение . соответствующее переходу образца в предельное состояние. Сравнивая найденную величину с деформациями

пласта, полученными по замерам в скважине, определяют ширину Х\ зоны пластических деформаций пласта.

Условно принимают, что вертикальные напряжения а_г в пластической зоне пласта измеряются по линейному закону от нуля на кромке пласта до уН на границе пластической зоны и остаются равными уН в упругой зоне пласта (кривая 8, фиг. 4).

На основании условно принятого распределения вертикальных напряжений о, в пласте определяют величину горизонтальных напряжений <з_ч в пласте на расстоянии Х\ от кромки пласта по формуле

о^^-уН+Р, (1)

где т — мощность пласта;

Р — реакция крепи;

Д — коэффициент трения пласта на контактах с кровлей и почвой, Д=0,02—0,04.

Горизонтальные напряжения σ_χ в упругой зоне пласта определяют по формуле

σφΧ)=σχ,σ₂ (X)· ММ (2)

* 1

где X — ось, перпендикулярная поверхности обнажения пласта.

После этого сравнивают полученную зависимость распределения горизонтальных напряжений в пласте σ_χ=/(Χ) и измеренную зависимость горизонтальных деформаций пласта ξ_Λ=/^:(Χ) (фиг. 2) с семейством зависимостей напряженно-деформированного состояния образцов σ*^ =[(σ?^, ξ_χ ^βίρ).

Вертикальное напряжение σ₄ в пласте равно вертикальному давлению σ°/^ρ на образец при выполнении условия' о_х=о?^ и ξ_χ=ξ^^ρ. Полученные данные вертикальных напряжений в пласте, выраженные в виде зависимостей а_г=/'(Х), позволяют получить уточненную эпюру (кривая 9, фиг. 4) распределения вертикальных напряжений в упругой зоне пласта. Используя полученные данные о_г в выражении (2) и повторяя процесс определения о_г при уточненных значениях σ_χ(Χ), получают эпюру (кривая 10, фиг. 4) вертикальных напряжений в пласте, приближенную к действующим напряжениям. Таким образом, после нескольких циклов расчетов происходит последовательное приближение эпюры вертикальных напряжений в пласте к некоторому пределу (кривая 12, фиг. 4), принимаемому за действующее в пласте распределение вертикальных напряжений. Расчеты напряжений и их графическое представление могут быть выполнены достаточно быстро с помощью ЭВМ.

Использование изобретения позволяет одновременно контролировать изменение во времени деформаций и напряжений в угольном пласте, в связи с чем расширяются возможности прогнозирования деформации выработок или другие неблагоприятные проявления горного давления, например горные удары.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ контроля за напряженно-деформированным состоянием угольного пласта

   1484947

   вблизи протяженного обнажения, включающий отбор керна из кромки выработки, изготовление из него образца кубической формы, испытание этого образца при нагружении по вертикальной оси Ζ до потери прочности при запрещении деформации по одной горизонтальной оси У и с постоянным напряжением по другой горизонтальной оси X, перпендикулярной выработке, и измерение зависимости деформации образца ξΤ⁶'’ от вертикального σ°^ίρ и горизонтального напряжений, отличающийся тем, что, с целью осуществления контроля одновременно за напряжениями и деформациями в пласте, в скважине, пробуренной вдоль оси X, размещают на равных участках по ее длине реперные устройства для измерения продольных деформаций ξ_χ пласта, проводят аналогично первому испытания дополнительных образцов, изготовленных из кернов, изменяя величину σ^Ρ для каждого последующего образца ступенями от нуля до половины величины геостатического вертикального давления на глубине скважины, определяют величину ξχίφβή , соответствующую переходу образца в предельное состояние и, сравнивая эту величину с деформацией ξ_χ

   1

   пласта, определяют ширину Χι зоны пластических деформаций пласта, затем рассчитывают величину горизонтальных напряжений σ_χι в пласте на расстоянии Χι от кромки

   5 пласта по формуле

   β.,-=^^χ··>Η+Ρ.

   где т — мощность пласта;

   Р — реакция крепи;

   — коэффициент трения пласта на контактах с кровлей и почвой;

   уН — величина геостатического давления на глубине Н скважины,

   и горизонтальные напряжения в упругой зоне

   15 по формуле

   где о_г (/) — вертикальные напряжения в пласте, 02(/) в первом цикле расчетов при20 нимается равным уИ, после чего, сравнивая полученные зависимости σ*={(Χ) и ξ_χ = =/(/) пласта с зависимостями напряженнодеформированного состояния образцов и считая , получают эпюру вертикальных напряжений в упругой зоне пласта.

   Ζ 3

   фиг.1

   сриг.2

   1484947

   Участки 7 г 3 4 5 6 7 8 9 10 п 12 13 74 15 16 77 18 19 го ,8 10 11 12 9 " / / 1 г 4 6 8

   (риг О