SU1110899A1 - Способ определени напр жений в горных породах - Google Patents

Description

11 Изобретение относитс  к технике определени  физических свойств пород путем измерени  деформаций и может быть использовано, например, при подземной разработке полезных ископаемых а также при инженерном обосновании строительства гидротехнических сооружений (плотин). В классе деформационных способов определени  напр жений в массиве горных пород известны две группы: микро деформационные, именуемые обычно тензометрическими или механическими, и макродеформационные ClJ. База измерени  способами первой группы исчисл етс  обычно сантиметрами , база измерений способами второй группы составл ет от 0,5 м до многих километров. Все деформационные способы основаны на измерении деформаций горньк пород и последующем вычислении напр жений по измеренным деформаци м с помощью аналитического аппарата механики, который применительно к макродеформационным способам разработан еще недостаточно четко. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  способ определени  напр жений в горных породах включающий определение направлени  трещин в пространстве и измерение в них параметров водного потока. При этом герметизируют участок скважины и нагнетайт в него воду под давлением до резкого падени  давлени , соответствующего моменту гидравлического разрыва стенок скважины По величине давлени  до и после разрыва к по ориентации образовавщейс  трещины определ ют величину и направление минимального главного нормальноге напр жени  2. Однако данный способ трудоемок, требует применени  специального дорогосто щего оборудовани  и может примен тьс  только на небольших базах измерений... Цель изобретени  - увеличение базы измерений и снижение трудоемкости. Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  напр жений в горных породах, включаг клдему определение направлени  трещин в пространстве и измерение в них параметров одного потока, выбирают системы трещин, ограничивающие тектонические блоки горных пород и пересекаю1циес  с подземной полостью, определ ют дл  каждой из систем тресимость водопоглощени  и воот времени, выдел ют опорему трещин. Характеризующуильными значени ми параметров ощени  и водоотдачи во времередел ют значени  напр жени  е по формуле G -ML + .±rAi сЛ - 1-|U. В, главные нормальные напр жени  в массиве пород, МПа; эмпирическими коэффициент, учитывающий относительные изменени  расхода потока при раскрытии трещин, см; коэффициент интенсивности напр жений, определ емый из соотношени  максимальной амплитуды водопоглощени  искомой Системы трещин А- к величине водопоглощени  Q опорной системы трещин; эмпирический коэффициент, учитывающий вли ние упругих деформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/МПа; расход воды через искомую систему трещин на фиксируемый момент времени, коэффициент в зкости воды, кгсС/см (величина посто нна  дл  воды, имеющей определенную температуру и минерализацию ) ; объемный вес воды, кгс/см (величина посто нна ); мощность пласта пород между системами водопровод щих трещин, см; изменение напора воды при изменении степени раскрыти  трещин, см; коэффициент Пуассона пород (величина безразмерна , посто нна  дл  данного типа пород). тный аппарат величин напр вьпцеуказаиным формулам спрал  условий плоского напр состо ни , т.е. Д.ГГЯ условий 311 поверхности массива   дл  границы массива с подземной полостью. Определение касательных напр жений и полного тензора напр жений в массиве осуществл ют с использованием полученных -вьше величин глав ных напр жений по методике ff. Выбор изучаемого массива горных пород с таким расчетом, чтобы системы водопровод щих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, пересекались с подземной полостью, позвол ет по изменению параметров жидкой фазы в трещинах судить об изменении деформации горных пород при различных режимах напр жений. Другие типы трещин, например трещины выветривани , развитые на поверхности мае сива,  вл ютс  замкнутыми и не отвод т поверхностные воды в глубину мае сива. Поэтому при выборе водопровод  щих трещин необходимо обращать внима ние на их вьщержанность по глубине. Трещинами, удовлетвор ющими указанным требовани м,  вл ютс  те, которые ограничивают тектонические блоки Под вли нием напр жений в массиве по род происходит деформаци  стенок тре щин, измен ютс  параметры трещиноватости , водопоглощени , водоотдачи и водопроводимости пород. При этом в наибольшей степени деформируютс  стенки вертикальных, субвертикальных и горизонтальных трещин. Эти системы трещин  вл ютс  главными и ограничивают блоки горных пород в пространстве . Выбор систем трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, позвол ет тем самым при измерени х параметров жидкой фазы, фильтрующейс  через эти системы, обеспечить уве личение базы измерений напр жений до дес тков и сотен метров в зависимости от степени тектонической блочности того или иного участка. Измерение параметров водного потока на его входе (водопоглощение) и выходе (водоотдача ) , т.е. в верхней и нижней част х массива, позвол ют судить об изменени х термодинамических условий пород в ненарушенной природной обстановке , когда полностью в неизменном виде сохран ютс  природные систе мы водопровод щих трещин на всем их прот жении - от поверхности земли до подземной полости. Предлагаема  операци  измерени  параметров жидкой фапы горных пород периодически синхронно на потока в TpeiniiHt i и на его выходе в подземную полость дает возможность одновременно зафиксировать относительное раскрытие водопровод щих трещин в различных част х массива, наход .щегос  в сложном природном поле напр жений. При изменении величины геостатических (от веса вышележащих пород) или тектонических горизонтальных напр жений породы реагируют на деформацию относительным раскрытием трещин. При этом, соответственно, измен ютс  водопоглощение и водоотдача пород, а также дебиты потоков в трещинах. Преобладание в породах сжимакицих напр жений приводит к уменьшению раскрыти  трещин на поверхности массива и, соответственно, к снижению величины водопоглощени . В это врем  внутри массива на выходе водного потока из трещин в подземную полость происходит скачкообразное увеличение дебитов воды (водоотдачи). При определенной величине сжимакнцих напр жений , котора  составл ет 5-20% от предела прочности пород на одноосное сжатие, жидка  фаза мигрирует из более напр женных участков массива в зоны пониженных напр жений, где преобладают раст гивающие напр жени . Следовательно, резкие изменени  различных параметров жвдкой фазы, фильтрующейс  по трещинам вдоль границ тектонических блоков,  вл ютс  показател ми вариаций природных напр жений в массивах горных пород. Изменени , параметров водного потока, в частности водопоглощени  и водоотдачи , во времени дл  различных участков массива позвол ют судить о распределении пол  напр жений в пространстве. В результате измерений получают эмпирические зависимости (графики, кривые ) параметров дл  каждой из систем водопровод щих трещин во времени. Путем анализа полученных зависимостей вьщел ют опорную систему трещин, дл  . которой- изменени  парамеТ1)ов водного потока во .времени не превьшают 10% от средних значений. Сравнива  отклонени  полученных зависимостей относительно параметров опорной системы трещин на какой-то момент времени, суд т о степени раскрыти  водопровод щих систем трепщн, после чего определ ют пространственное поле напр жений массива. Изменени  степени раскрыти  трещин по сравнению с опорной системой трещин Дают возможность определить направление и знак напр жений , действующих на определенно ориентированную в пространстве систе му трещин или массив в целом, и тем самым позвол ют определить пространственное поле напр жений и их изменени  во времени. Предлагаемый способ определени  напр жений в горных породах испытан на гёодинамическом полигоне в карсто вой пещере Новомурадымовска  Кугарчи ского района Башкирской АССР. Пример. Выбирают массив обводненных известн ков общей площадью 2000 м, в котором водопровод щие трещины, ограничивающие тектонически блоки пород и поглощающие воду ручь  на поверхности массива, ортогональны и пересекаютс  на глубине 80-100м массива с подземной пещерной полостью куда осуществл етс  разгрузка поглощаемых вод. Замер ют также мощность пласта пород между системами трещин. Затем с помощью горного компаса иа выбранных взаимноортогоиальных систе мах водопровод щих трещин, ограничивающих тектонические блоки пород, определ ют их ориентировку в пространстве . После выбора массива и опре делени  ориентировки трещин на границах между блоками пород, а также в глубине массива на выходе потока из последних в подземную пещерную по лость устанавливают комплекс измерительных приборов дл  регистрации дебитов , температуры и других,параметров потока. На входе водного потока в трещины замер ют его параметры с помощью трех незатопленных водосливов объемным способом, а на выходе потока в подземную полость - с помощью специальной аппаратуры и приборов (барометра, психометра и др.), фиксируют дебит, объем фильтрующейс  жидкости, давление и влажность воздуха, а также определ ют химический состав фильтрующихс  вод. Параметры водного потока, в частности. водопоглощение и водоотдачу, замер ют синхронно на его входе в трещины и на выходе из них через каждые 2 ч в течение нескольких циклов, по 4-5 дней J3 каждом цикле. Зарегистрирован ные в начале каждого цикла наблюдений параметры водного потока прини-. мают за начальные. По полученным дан ным стро т графики зависимости дебитов , химического состава и других параметров фильтрук цейс  воды от вре мени. При анализе дебитов воды определ ют изменени  объема отдельных капель и их химического состава, а также рН воды, содержани  ионов кальци , гидрокарбоната магни . Затем по графикам анализируют отклонени  параметров водного потока от начальных значений Ь устанавливают закономерности изменени  параметров во времени дл  различных частей массива. Построенные графики зависимости параметров от времени показывают, что вариации параметров водного потока, в частности водопоглЬщени  и водоотдачи , во времени на его входе и выходе из трещин имеют характер сложных квазигармонических кривых,,имеющих несколько внутрисуточных минимумов и максим5эдов, что свидетельствует о периодическом характере изменени  Напр жений в массиве пород. Сравнение зависимостей параметррв водного потока во времени дл  различных систем трещин с опорной системой трещин позвол ет вы вить относительное раскрытие сравниваемых систем трещин и рассчитать эмпирический коэффициент , учитывающий отйосительные изменени  расхода потока при раскрытии трещин по нижеследующей формуле в.,,«Ж, с. где fl - расход через систему трещин на фиксируемый момент , времени, см/с; , - коэффициент в зкости, воды, кгс. у - объемный вес воды, кгс/см ; М - мощность пласта пород между системами водопровод щих трещин, см. Зна  из графиков зависимость параметров водного потока от времени, определ ют амплитуду максимального Водопоглощени  А искомой системы трещин и величину водопоглощени  Q опорной системы трещин. Затем вычисл ют коэффициент интенсивности напр жений С как отношение амплитуды максимального водопоглощени  А. искомой системы трещин к величине водопоглощени  61 опорной системы трепщн. Получив значени  коэффициентов В; и с,- , вычисл ют значени  главных нормальньк напр жений в массиве горных пород по формуле

BiC

б сА

де Qj - главные нормальные напр жени  в массиве пород, МПа (кгс/см);

с - эмпирический коэффициент,

учитывающий вли ние упругих ( деформаций пород на измене- |Q ние пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/МПа (измен етс  от 0,01 до 1,0); ЛН - изменение напора при изме- j нении степени раскрыти  трещин, см, определ етс  в процессе проведени  опы- та;

jU. - коэффициент Пуассона пород 20 (величина посто нна  дл  данного типа пород).

Результаты определений и вычислений дл  бсех вьщеленных систем трепщн приведены в таблице.

Как видно из таблицы, за исключением опер нщих трещин системы трещин 5 и 4 на поверхности массива характеризуютс  большими значени ми иапр жений и более высокими коэффициентами относительного раскрыти  трещин В. .

J

Эти же системы трещин расположены ближе к пещере и имеют более высокие параметры -водопроводимости. Полученные данные свидетельствуют о том, что вблизи пещеры преобладают раст гивающие напр жени . Раскрытие трещи вследствие изменени  пол  напр жений вли ет и на колебани  параметров химического состава воды и ее минерализацию во времени. Колебани  этих параметров во времени также имеют сложный характер и: при необходимости можно получить эмпирические зависимости от их графиков зависимости химического состава (минерализации) во времени к графикам водопоглощени  .и вoдooт aчи. По системам трещин, в наибольшей степени реагировавшим на деформации пород, анализируют пространственное поле напр жений и изменени  этих напр жений во Как показывают результаты испытаний, 5S в

изменени  параметров водного потока завис т, в основном, от вариаций напр жений в массиве пород при возмущении гравитационного пол  земли. Так, например, в вертикальном направлении знак напр жений в течение суток измен ет на противоположный, в св зи с чем происходит асинхронное изменение параметров водного патока на входе и выходе из трещин в массиве пород. Если в верхней части маесива преобладают раст гивающие напр жени  и степень раскрыти  трещин увеличиваетс , то в нижней его части вследствие преобладани  сжимающих напр жений уменьшаетс  раскрытие трещин и водопоглощение. В горизонтальной плоскости блоки, ограниченные системами водопровод щих вертикальных трещин, также испытывают напр жени  различных знаков, что отражаетс  на величинах водопоглощени . В отдельные периоды времени в результате преобладани  вертикальных сжимающих , напр жений водопоглощение в систему горизонтальных пластовых трещин полнбстью прекращаетс  и в течение 6 ч из вертикальной системы трещин происходит сайоизлив воды на поверхность земли. Одновременно в соседенем блоке пород резко возраста{рт величины водопоглощени  в трещины. В последнем случае наибольшее главное нормальное напр жение параллельно плоскости пластов известн ков и  вл етс  раст гивающим. В св зи с этим вертикальные тектонические трещи.ны, перпендикул рные напластованию , отвод т воду в пластовые трещины , которые в этот нериод получают наибольшее раскрытие. Таким образом, выполненные измерени  и исследовани  позвол ют вы вить знак направлени  наибольших и наименьших главных норальных напр жений, закономерное изенение пол  напр жений во времени на отдельных участках массива, что ает возможность оценить динамику стественного (природного) пол  нар жений в неоднородно построенном ассиве пород при базе измерени  напр жений от нескольких дес тков о сотен метров.

Испытани  показывают, что по сравнению с известными предлагаемый способ определени  напр жений в горных породах позвол ет при увеличении

НИИ снизить трудозатраты в 10-15 раз за счет сокращени  таких вспомогательных и трудоемких операций, как 30-50 раз базы измерени  напр же9111089910

монтаж и демонтаж бурового и другоголучени  количественных данных о поле

оборудовани , бурение скважин, под-напр жений массивов без наведени 

готовка скважин к измерени м, про-в них искусственного пол  деформаций

кладка специального кабел  и электро-также  вл ютс  существенными преиму-

сетей и т.д. Сравнительна  простота 5ществами предлагаемого способа по

расчетного аппарата, возможность по-сравнению с известными.

Claims (1)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ, включающий определение направления трещин в пространстве и измерение в них параметров водного потока, отличающийс я тем, что, с целью снижения трудоемкости измерений при одновременном увеличении базы измерений, выбирают системы трещин, ограничивающие тектонические блоки и пересекающиеся с подземной полостью, определяют для каждой системы трещин зависимость водопоглощения и водоотдачи от времени, выделяют опорную систему трещин, характеризующуюся стабильными значениями водопоглощения и водоотдачи во времени, и определяют значения напряжений в массиве горных пород по формуле

   В; С. дн γμ ₍ ’’ сЛ 1-μ ' где

   А.

   Г Q

   С,- - главные нормальные напряжения в массиве пород, МПа;

   8j — эмпирический коэффициент, учитывающий относительные изменения расхода потока при раскрытии трещин, см; С; - коэффициент интенсивности напряжений, определяемый из соотношения максимальной _с амплитуды водопоглощения ® искомой системы трещин Ак величине водопоглощения Q опорной системы трещин;

   •сГ- - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние упругих деформаций пород на изменение пустотности при создании избыточных давлений воды в трещинах, см/МПа;

   в; - расход воды через искомую систему трещин на фиксируемый момент времени, см³/с;

   Ί, - коэффициент вязкости воды, кгс < с/см²;

   γ - объемный вес воды, кгс/см³; М - мощность пласта пород между

   SU „..1110899 системами водопроводящих трещин, см;

   ДИ - изменение напора воды при изменении степени раскрытия трещин, см;

   μ - коэффициент Пуассона пород.

   измерении деформаи последующем вычиспо измеренным дефораналитического аппакоторый применительно