Методы измерения статических напряжений.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ЕГО ИЗМЕНЕНИЙ ВО ВРЕМЕНИ.

Методы исследования напряжённого состояния массива горных пород по сравнению с другими характеристиками массива - свойствами и структурными особенностями - имеют некоторую специфику.

Прежде всего, это проявляется в том, что напряжения не являются, вообще говоря, физической величиной. Это некоторая математическая абстракция, которая непосредственно измерена быть не может. Напряжения всегда определяются или вычисляются по результатам измерения деформаций или каких-либо других параметров, корреляционно связанных с напряжениями.

Второй специфический момент заключается в том, что в таких исследованиях весьма существенное значение приобретают различного рода оценочные методы, с помощью которых сначала устанавливается вид напряжённого состояния, основные соотношения между компонентами общего тензора напряжений и только после этого выполняются работы по непосредственному измерению абсолютных значений напряжений.

Методы измерения статических напряжений.

Способы определения естественных напряжений в массиве горных пород, в окрестностях выработок, в целиках и т. д. по физическим принципам, положенным в их основу, можно подразделить на несколько групп.

Первую группу составляют способы, суть которых - оценка параметров различных технологических процессов горного производства, изменяющихся в зависимости от степени естественной напряженностимассива. К этой группе относятся способы, основанные на определении усилия подачи бурового инструмента на забой скважины, процента выхода и фракционного состава штыба и буровой мелочи, степени выхода и вида разрушения керна буровых скважин, формы и размеров сечений буровых скважин, камуфлетных полостей при взрыве зарядов постоянной мощности, горных выработок, а также методы, в определенной степени моделирующие указанные процессы (вдавливание штампа в забой или стенки скважины, применение специальных прочностномеров и пр.).

Ко второй группе относятся деформационные способы, в основе которых лежит измерение деформаций пород с последующим вычислением действующих напряжений.

Наиболее распространенным деформационным способом определения абсолютных значений напряжений является метод разгрузки. Он основан на измерении упругих деформаций восстановления при отделении некоторого элемента от породного массива и разгрузке его от действовавших в нем напряжений. По измеренным деформациям, зная упругие константы пород (модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций n), вычисляют действовавшие в массиве напряжения, используя математический аппарат теории упругости.

Применяют метод в двух основных вариантах:

* в варианте торцевых измерений;

* в варианте соосных скважин.

Вариант торцевых измерений получил в странах бывшего СССР и странах СЭВ наибольшее распространение В результате совместных работ специалистов из ГДР, ПНР, СССР и ЧССР применительно к этому варианту, для условий скальных пород, были разработаны и серийно выпускались унифицированные комплекты измерительной аппаратуры и оборудования (рис 7.1).

Рис 7.1 Унифицированный комплект измерительной аппаратуры и оборудования УКР-72 для определения напряжений в массиве пород методом разгрузки.

Для измерений бурят из горной выработки в заданном направлении скважину диаметром 76-80 мм. В выбранной для измерений точке массива коронкой специальной конструкции шлифуют забой (торец) скважины. Затем с помощью прижимного и ориентирующего устройств к торцу скважины в строго ориентированном положении приклеивают розетку из четырех или трех электротензометрических датчиков. После полной полимеризации клея, обеспечивающего совместность деформаций пород и тензодатчиков, кольцевой коронкой производят обуривание торца скважины. При этом обуриваемый элемент породного массива освобождается от действовавших в нем напряжений и испытывает деформации, фиксируемые тензодатчиками.

Используя формулы теории упругости, связывающие измеренные деформации и соответствующие им напряжения, определяют напряжения в плоскости торца скважины. При вычислении напряжений необходимые упругие константы пород Е и n определяют по породному керну, который получают при обуривании торца скважины в точке измерения. Это позволяет исключить погрешность, обусловленную вариациями упругих констант в различных точках массива.

Описанный цикл измерений дает значения главных (квазиглавных) напряжений в плоскости торца скважины в одной выбранной точке массива. Продолжая бурение скважины и повторяя аналогичные измерения в других намеченных точках, получают серию измерений, которые подвергают затем математической обработке и анализу.

Вариант соосных скважин отличается от описанного тем, что бурят опережающую центральную скважину малого диаметра (около 40 мм). В ней устанавливают деформометры (схема Н. Хаста) либо на ее стенки с помощью специальных приспособлений наклеивают тензодатчики (схема Е. Лимана, рис. 7.2).

Рис. 7.2 Схема наклейки электротензометрических дат-чиков на стенки скважины малого диаметра при измерениях напряжений в массиве пород методом разгрузки в варианте соосных скважин (схема Е. Лимана).

а - расположение измерительной и разгрузочной скважин, б - размещение тензодатчиков на стенках скважины малого диамет-ра, в - расположение датчиков в розетке

1 - скважина диаметром 110-120 мм или больше, 2 - измерительная скважина диаметром 40 мм

В первом случае фиксируют изменение диаметра центральной скважины по различным направлениям. При этом для перехода от измеренных перемещений (изменений диаметров центральной скважины) к напряжениям используют данные лабораторной градуировки датчиков деформометра в специально вырезанных породных призмах с модулем упругости, равным модулю упругости исследуемого массива.

Во втором случае, при расположении датчиков по схеме, приведенной на рис. 7.2в, напряжения вычисляют по результатам измерения деформаций e₁, e₂, e₃:

В случаях, когда в напряженных породных массивах при разгрузке наряду с мгновенными упругими деформациями проявляются деформации упругого последействия, вычисленные напряжения будут отличаться в большую сторону по сравнению с фактическими, например в аргиллитах эта разница может достигать 17%. При определении напряжений в таких породах с использованием формул теории упругости в результаты измерений вводят поправки, либо применяют формулы, непосредственно учитывающие неупругие свойства пород, устанавливаемые по данным лабораторных испытаний.

Наряду с определением абсолютных значений действующих напряжений часто требуется проследить за их изменениями во времени по мере развития горных работ. Применять для этого метод разгрузки, повторяя каждый раз полный комплекс трудоемких измерений, нецелесообразно.

Для определения изменений напряженного состояния пород во времени обычно применяют различные деформометры, размещаемые в буровых скважинах и фиксирующие изменения диаметра скважин по различным направлениям, поперечные и продольные деформации стенок скважины, либо суммарный эффект деформаций скважины. Применяют при этом два типа деформометров.

Первый тип - это так называемые податливые включения (иногда их называют "мягкими") - деформометры, фиксирующие деформации стенок скважины, практически не оказывая воздействия на массив пород. Второй тип - упругие включения (жёсткие включения), оказывающие активное сопротивление деформациям горных пород.

Разработано и применяется большое количество различных деформометров. Наиболее широко используют скважинные гидравлические датчики, применение которых основано на методе разности давлений. В скважину помещают гидравлический датчик - цилиндрический домкрат с резиновой оболочкой и создают на контакте с горной породой исходное давление. Изменение давления в гидросистеме, фиксируемое манометром, является исходным для расчета изменения напряжений в рассматриваемой точке массива.

Различные по конструкциям поперечные и продольные деформометры позволяют фиксировать изменения диаметров скважин и продольные деформации по скважинам с помощью проволочных тензодатчиков сопротивления, индукционных, емкостных, магнитострикционных и других датчиков. Широкое распространение получили также фотоупругие покрытия, определение напряжений в которых ведут путем наблюдения интерференционной картины в поляризованном свете и измерения оптической разности хода с помощью полярископов.

Значительно распространены фотоупругие (оптически чувствительные) датчики. Датчик в виде упругого включения из оптически чувствительного стекла - сплошной или полый цилиндр - помещают в скважине, обеспечивая его надежное сцепление с породным массивом посредством цементирования. Применение полых цилиндров позволяет изменять чувствительность датчиков путем подбора необходимых соотношений их внешнего и внутреннего диаметров.

В качестве примера на рис. 7.3 представлена серийно выпускаемая портативная аппаратура японской фирмы Соккиша для измерения напряжений в массиве пород с помощью фотоупругих датчиков. Аналогичные конструкции шахтных полярископов разработаны и в нашей стране.

Рис. 7.3. Портативный полярископ для измерения напряжений с помощью фотоупругих датчиков (Япония).

Так называемые компенсационные способы определения действующих напряжений в массивах горных пород относятся к третьей группе. Сущность этих способов заключается в первоначальном снятии и последующем искусственном восстановлении напряжений на изучаемом участке массива. Снятие напряжений - разгрузка массива - осуществляется с помощью создаваемых полостей различных конфигураций (скважин, щелей и т. д.), а восстановление напряженного состояния - путем нагружения образованных полостей с помощью специальных нагрузочных приспособлений (дилатометров, домкратов, гидроподушек и др.).

Широкое распространение из способов этой группы в последние годы получил метод гидроразрыва. Особенностью этого метода является восстановление естественных напряжений в скважине и дальнейшее их увеличение до появления трещин разрыва в стенках.

Если измерительная скважина пробурена по направлению одного из главных напряжений естественного поля, то давление, необходимое для образования трещин в ее стенках, равно

P_max = 3s_min - s_max + [s_p],(7.1)

где s_max, s_min - соответственно максимальное и минимальное главные напряжения в плоскости измерения; [s_p] - прочность пород при растяжении.

Дальнейшее расширение образовавшейся трещины происходит при давлении, численно равном s_min. Таким образом, в процессе нагнетания жидкости в скважину по показаниям манометра определяются s_max и s_min, их направление в массиве может быть установлено по ориентации в пространстве трещины растяжения, которая всегда нормальна к направлению действия s_min.

Все рассмотренные методы характеризуются весьма небольшими базами, т.е. они обеспечивают получение величин напряжений для объёмов, включающих только высокие порядки структурных неоднородностей.

В противоположность этому,четвертую группу составляют геофизические способы измерений напряжений в массиве горных пород, которые основаны на взаимосвязи с естественным напряженным состоянием параметров различных искусственно наводимых физических полей. Параметры напряженного состояния, получаемые этими методами, обычно характеризуют существенно большие объемы массива, которые могут включать структурные неоднородности III - го, а иногда и II - го порядков. Эти методы отличаются высокой мобильностью и производительностью.

Среди геофизических способов наиболее полно разработан импульсный сейсмический (ультразвуковой) метод определения напряжений. Он основан на взаимосвязи с напряженным состоянием горных пород акустических (сейсмических) характеристик - скорости и затухания упругих волн, возбуждаемых в массиве. Для количественной оценки напряжений в породном массиве используют эффект скоростной анизотропии пород при их нагружении.

Сущность этого эффекта состоит в том, что для многих пород с возрастанием давления увеличивается скорость продольных упругих волн. При этом рост скорости происходит по тому же направлению, что и увеличение нагрузки, тогда как в других направлениях эти изменения незначительны.

Для различных пород рост скоростей продольных волн с увеличением давления неодинаков: от нескольких процентов до 50% и более. Рост скоростей начинается сразу же с увеличением давления и прекращается при напряжениях, составляющих для различных пород 30 - 70% разрушающего напряжения сжатия. При неравномерном нагружении, т. е. когда напряжения по одному из направлений превышают таковые по другим направлениям, в массиве пород появляется скоростная анизотропия.

В натурных условиях измерения ведут по схеме прозвучивания в трех параллельных шпурах или скважинах, пробуриваемых в вершинах прямоугольного треугольника с длиной катетов около 50 см. Для измерений применяют те же самые серийные переносные ультразвуковые дефектоскопы и ультразвуковые шахтные датчики, что и для определения упругих характеристик в массиве пород.

В случаях, когда при нагружении образцов пород до разрушающих напряжений скорость ультразвуковых волн не возрастает или прирост скорости колеблется в незначительных пределах, сейсмоакустические измерения для оценки напряжений в массиве пород неприменимы.

Менее разработан и реже применяется радиометрический метод определения напряжений, связанный с наведением в исследуемом участке массива радиационного поля. Метод основан на эффекте различного поглощения радиоактивных излучений породами в зависимости от их плотности. С ростом сжимающих напряжений плотность пород, особенно сравнительно малоплотных, существенно возрастает. Этот эффект используют для оценки напряжений в угольном массиве и породах угленосных толщ. Но он может дать достаточно надежные результаты и для весьма плотных скальных пород, таких как граниты, диабазы и др., для которых абсолютные изменения плотности с ростом всестороннего давления обычно не превышают 1%.

Электрометрический метод определения напряжений принципиально осуществим в двух модификациях: на постоянном и переменном токе. Метод основан на эффекте изменения удельного электрического сопротивления пород с изменением их напряженного состояния.

Характерно, что в зависимости от состава и структуры пород знак изменения сопротивления с ростом давления может быть различным. Для пород с высокой пористостью и большим содержанием влаги вследствие уменьшения сечения токопроводящих каналов и частичного закрытия пор сопротивление с ростом давления увеличивается. Для плотных изверженных и других пород с низким содержанием влаги, проводимость которых определяется в основном наличием токопроводящих компонентов, вследствие их уплотнения под действием сжимающих напряжений и уменьшения расстояний между проводящими компонентами сопротивление понижается.

Удельное электрическое сопротивление весьма чувствительно к изменению напряжений. Но в то же время оно еще чувствительнее к изменениям влажности пород. Наряду с влажностью существенную роль играет степень минерализации подземных вод. Вследствие отмеченных обстоятельств применение электрометрического метода, по-видимому, ограничивается условиями рудников, где полностью отсутствуют водопритоки и нет колебаний влажности пород.

Возможен и принципиально другой подход к оценке напряженного состояния пород на основе электрометрических измерений. Он базируется на измерении параметров естественного геоэлектрического поля в массиве пород и изменений этих параметров с изменением напряженного состояния.

Магнитный метод определения напряжений базируется на слабых ферромагнитных свойствах и положительной магнитострикции ряда горных пород. В таких породах с изменением напряжений меняется магнитная восприимчивость. Эти изменения и подлежат измерению для оценки изменений напряженного состояния.

Широкое применение для оценки напряженного состояния горных пород и прогнозирования опасных ситуаций, связанных с внезапными обрушениями пород, горными ударами, внезапными породными выбросами, получил сейсмоакустический (звукометрический) метод. Он основан на использовании естественных акустических (звуковых) импульсов, возникающих в массиве пород вследствие микроразрушений, обусловленных общим или локальным ростом напряжений. Регистрацию импульсов ведут с помощью специальных датчиков - геофонов, устанавливаемых в скважины и воспринимающих звуковые колебания, возникающие в окружающем массиве при микроразрушениях. Комплект аппаратуры для шахтных измерений показан на рис. 7.4.

Звуковые импульсы, воспринимаемые геофоном, могут непосредственно прослушиваться наблюдателем, либо регистрироваться на ленте самописца. Возможна высокочастотная проводная, либо беспроводная дистанционная

Рис. 7.4 Сейсмоакусти-ческая аппаратура во взры-вобезопасном исполнении (типа ЗУА-3 конструкции профессора М. С. Анцы-ферова).

1 - геофон, 2 - усилитель, 3 - преобразователь, 4 - линейный усилитель; 5 - демодулятор, 6 - счетчик импульсов, 7 - контрольный прибор

передача и автоматическая регистрация поступающих импульсов.

Число импульсов, регистрируемых в единицу времени, соответствует числу единичных микроразрушений в массиве пород вблизи места нахождения геофона. Изменение числа импульсов служит показателем относительного изменения уровня напряженности породного массива. Этот показатель, существенно различный для разных горногеологических условий, используют как критерий степени опасности обрушений и динамических проявлений горного давления в соответствующих частях массива, в пределах которых проводят наблюдения и осуществляют сейсмоакустический контроль.