«МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД Москва 2012 0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра физико-технического контроля ...»

В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Москва 2012

0

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физико-технического контроля процессов горного производства В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО

СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД*

Научно-образовательный курс *Подготовлен в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг. (соглашение №14.B37.21.0671) Москва

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

НАПРЯЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И

1.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ

ПОРОД

2.1. Оценка напряженного состояния массива на основе общего геологического и геотектонического анализа района

2.2. Оценка напряженного состояния массива на основе визуального обследования горных выработок

2.3. Оценка напряженного состояния массива по дискованию керна в скважинах

ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

3.

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

3.1. Метод разгрузки керна

3.2. Метод частичной разгрузки

3.3. Метод щелевой разгрузки

3.4. Метод упругих включений

3.5. Метод гидроразрыва

3.6. Метод разности давлений

3.7. Метод буровых скважин

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ

ПОРОД

4.1. Ультразвуковые методы определения напряжений в массиве горных пород

4.2. Гамма-метод определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород

4.3. Электрометрический метод оценки напряженнодеформированного состояния массива горных пород

4.4. Звукометрический метод оценки напряженного состояния массива горных пород

МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА НА ОСНОВЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО

ЭФФЕКТА ПАМЯТИ В ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ НЕГО ОБРАЗЦАХ

ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Физические основы и область применения метода

5.2. Требования к образцам, извлеченным из массива и используемым для определения параметров его НДС с использованием метода акустико-эмиссионной памяти

5.3. Оборудование для определения параметров НДС массива на основе метода акустико-эмиссионной памяти

5.4.

главного напряжения 1 в массиве

5.5. Определение направлений действия минимального 3 и промежуточного 2 главных напряжений в массиве

5.6. Определение типа трехосного напряженного состояния при известном направлении максимального главного напряжения в массиве

5.7.

напряжения при осесимметричном напряженном состоянии массива и известном значении 2 = 3

состоянии массива

характеризующего формирование поврежденности и памяти породы при нагружении в условиях трехосного сжатия

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ПОРОД НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТОВ ПАМЯТИ В

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА НА ОСНОВЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО

ЭФФЕКТА ПАМЯТИ ГОРНЫХ ПОРОД

ОКОЛОСКВАЖИННОГО ПРОСТРАНСТВА

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Получение надежной информации о напряженнодеформированном состоянии (НДС) массива горных пород является одной из приоритетных задач, решаемых в рамках прикладной геомеханики и геоконтроля. Указанная информация широко используется как на стадиях проектирования, так и в процессе практической реализации всего комплекса технологических процессов отработки месторождений, строительства и эксплуатации подземных сооружений различного назначения. Сведения о качественных и количественных характеристиках полей напряжений в земной коре играют заметную роль при прогнозе возникающих в ней динамических явлений, а также при выборе оптимальных технических и технологических решений по управлению состоянием массива и обеспечению устойчивости конструктивных элементов систем разработки. Это связано с тем, что именно взаимодействие основных структурных полей в массиве – поля разномасштабной поврежденности и поля напряжений во многом определяет прочность и долговечность любых находящихся в нем природных и природно-технических объектов, а также динамику протекающих в нем процессов деструкции и разрушения.

В последнее время получило распространение мнение о том, что большинство задач определения НДС массива возможно решить с помощью расчетных методов на основе соответствующих геомеханических моделей с применением ЭВМ. Отсюда делается вывод о том, что эти задачи в общей проблеме экспериментального геоконтроля перестают быть ключевыми. Однако объективные оценки свидетельствуют, что стремление к математической строгости анализа НДС в ряде практически важных случаев приводит к все большему удалению от реальных характеристик такого сложного объекта, как подвергаемая техногенным воздействиям геологическая среда. Действительно, последняя всегда является многокомпонентной, иерархически неоднородной по своему составу, структуре и физико-механическим свойствам. Для нее характерна блочность, разномасштабная дефектность, анизотропия, нелинейность откликов на любое воздействие, изменчивость во времени и активность, порождающая тепловые, акустические, электромагнитные и другие поля. Отмеченное исключает построение относительно простых аналитических моделей и обусловливает ограничения расчетных методов определения напряжений в массиве. В связи с этим, а также с постоянным увеличением глубинности и усложнением условий освоения месторождений роль экспериментальных методов изучения напряжений будет только возрастать, что, конечно, не исключает развития и активного использования соответствующих расчетных методов.

Начало целенаправленным работам по созданию экспериментальных методов исследования напряженного состояния породного массива было положено в начале второй половины прошлого столетия. С тех пор таких методов (геологических, механических, геофизических) было разработано несколько десятков. При этом опыт их использования показал, что каждый из конкретных методов и их вариантов имеет свои достоинства, недостатки, границы применимости и информативные возможности. Другими словами, ни один из соответствующих методов не может быть признан совершенным и универсальным. Во многом это объясняется многообразием задач, которые необходимо решать при изучении НДС массива: диагностика исходного природного поля напряжений; исследование пространственновременной динамики напряжений под влиянием техногенных воздействий на массив и образования в нем выработанного пространства;

определение тензора напряжений, а также выявление направлений главных напряжений и количественная их оценка; выявление зон концентраций напряжений и др. Кроме того, при экспериментальном определении напряжений необходимо учитывать тот факт, что их непосредственное прямое измерение в породном массиве (как и в любой другой синтезированной конструкции из твердого материала) в принципе невозможно. Определение напряжений может быть осуществлено только путем регистрации параметров механических и геофизических процессов в геологической среде, обусловленных этими напряжениями. Необходимым условием при этом является наличие известных взаимосвязей между указанными параметрами и исходными напряжениями.

В свете сказанного интересно отметить, что идея экспериментального определения количественных характеристик напряжений первоначально была предложена Сэчсом применительно к объектам из металлов [1]. Суть соответствующего метода, который автор назвал «извлечение материала», состояла в создании в объекте круглого отверстия и измерении перемещений точек его контура под влиянием внешних напряжений. Далее эти перемещения с учетом упругих свойств металла пересчитывались в компоненты напряжений.

Настоящее пособие призвано познакомить студентов с физическими принципами, схемами, техническими и технологическими особенностями практической реализации методов изучения НДС при освоении месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве.

Условно рассматриваемые в пособии методы можно разбить на две группы. Первая из них объединяет методы, которые на сегодня уже можно считать традиционными, поскольку опыт их практического применения насчитывает уже ни один десяток лет. Они отражены в разделах 1 – 4. Вторая группа (разделы 5 – 7) объединяет относительно новые, перспективные методы, основанные на эффектах памяти как непосредственно в горных породах, так и в композиционных материалах, датчики из которых помещаются в исследуемую область массива.

В заключение отметим, что, учитывая ограниченный объем пособия, авторы не ставили своей целью осветить все существующие методы экспериментального изучения НДС массива или дать достаточно полное описание хотя бы наиболее известных из них. Скорее их задачей являлось познакомить читателя с существующими проблемами определения напряжений и некоторыми возможными путями их решения, а также показать необходимость проведения дальнейших исследований в соответствующей области геоконтроля. Для тех, у кого возникнет интерес к таким исследованиям, может оказаться полезной приведенная в конце пособия обширная библиография по затрагиваемым в нем вопросам.

1. НАПРЯЖЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И

ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Согласно общепринятому определению под напряжением понимают силу F, действующую на единицу площади S. Для того чтобы говорить о напряжениях в точке пространства, площадь действия силы устремляют к нулю, т.е.

Особенностью геологических сред является их структурная неоднородность и многофазовость, что вынуждает рассматривать условие S0 в (1.1) как некую идеализацию. На практике при решении задач геомеханики всегда имеют дело с некоторым объемом горной породы, в рамках которого осредняются те или иные искомые свойства или параметры состояния. При этом, говоря о точке, в которой эти свойства или параметры оцениваются, имеют в виду центр объема осреднения, а понятие «напряжение» привязывают к размерам площадки, для которой это напряжение определяется [2].

В рамках теории упругости напряжения в конкретной точке среды, находящейся в системе координат Х1Х2Х3, описываются тензором напряжений Т второго ранга (1.2), в котором присутствуют шесть компонент ij (i,j = 1, 2, 3) [3,4], Предполагается, что тензор напряжений симметричен, при этом ij = ji. Распределение касательных и нормальных напряжений по граням элементарного куба представлено на рис. 1. Рис. 1.1. Ориентация компонент тензора напряжений на взаимно ортогональных поверхностях куба При этом нормальные напряжения ортогональны граням куба, а касательные лежат в плоскостях указанных граней. Ориентация касательных напряжений зависит от выбора направления координатных осей, при этом положительный знак касательных напряжений принимается при совпадении ориентации рассматриваемого касательного напряжения с положительным направлением одной из осей координат.

При решении задач, связанных с оценкой напряженнодеформированного состояния массива, часто возникает необходимость определения так называемых главных напряжений. Как известно, существует возможность подобрать такое расположение элементарного куба в пространстве, при котором все касательные напряжения окажутся равными нулю. При этом оставшиеся нормальные напряжения будут являться главными. Направления действия таких напряжений называются осями главных напряжений, или осями тензора напряжений:

В классической механике твердого тела существует правило расстановки индексов главных напряжений. При этом обычно руководствуются выражением Положительные значения соответствуют растягивающим напряжениям, а отрицательные – сжимающим.

Важность главных напряжений обусловливается тем, что при проектировании и эксплуатации горных выработок зачастую достаточно знать направления и значения именно таких действующих в массиве напряжений. Кроме того, ряд геомеханических и геофизических методов оценки напряженно-деформированного состояния массива предполагает априорное знание направления хотя бы одного из главных напряжений.

Различают естественные (первичные) и техногенные (вторичные) поля напряжений в массиве горных пород. Первые из них обусловлены воздействием естественных факторов, таких как гравитационные и тектонические силы, температурные градиенты, геохимические процессы и др.

Изучение естественных напряжений представляет собой одну из важнейших фундаментальных задач наук о Земле. В то же время неоспоримо его практическое значение при обосновании оптимальных способов проведения горных выработок и их ориентации, технологических приемов управления горным давлением и методов прогноза опасных динамических явлений в массиве. Учение о естественном напряженном состоянии геологической среды возникло еще в конце XIX века, а затем продолжало и продолжает развиваться вплоть до наших дней.

Техногенные поля напряжений обусловлены перераспределением естественных напряжений в результате выемки любого объема породы в процессе подготовительных и добычных горных работ или строительства подземных сооружений различного назначения. В результате такого перераспределения в некотором объеме геосреды вокруг области техногенного вмешательства возникает зона ее влияния, характеризующаяся наличием подзон повышенных и пониженных относительно естественных значений напряжений. Как следствие, нарушается равновесное состояние горных пород в окрестностях выработанного пространства, что приводит к деформациям, сдвижениям и разрушениям его несущих конструктивных элементов. Таким образом, установление и получение количественных характеристик зон разгрузки и концентрации напряжений, а также их пространственной динамики является необходимым условием обеспечения и прогноза структурной и функциональной устойчивости горных выработок.

В зависимости от назначения информации о качественных и количественных характеристиках полей напряжений в массиве их изучение может осуществляться на различных масштабных уровнях. Согласно Л. Оберту в механике разрушения геоматериалов таких уровней может быть выделено три: субмикроскопический, микроскопический и макроскопический [5]. С введением М.В. Гзовским понятия о тектонических полях напряжений в земной коре [6] к указанным уровням был добавлен еще и так называемый мегаскопический, которому отвечают линейные размеры структурных элементов от десятков метров до десятков и даже сотен километров.

Понятно, что для каждого из масштабных уровней должны использоваться свои методы исследования НДС, для которых характерны различные принципы получения искомой информации и степень ее усреднения. Например, для микроуровня – это оптическая и электронная микроскопия кристаллов, зерен и агрегатов, а для мегауровня - катакластический анализ разрывных нарушений в массиве горных пород.

С учетом задач геоконтроля (объектом которого являются элементы массива, в пределах которых НДС изменяется под влиянием техногенных воздействий) в рамках настоящего пособия рассматриваются методы, обеспечивающие изучение напряжений геологических структур макроуровня объемом от нескольких кубических дециметров, до нескольких кубометров.

Методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород в общем случае можно подразделить на три различные по физическим и методологическим подходам группы.

К первой группе относятся методы, основанные на анализе общей геологической обстановки, а также на визуальном осмотре горных выработок, деформированных под действием горного давления.

Как правило, такие методы способны дать лишь качественную оценку действующих напряжений и характеризуются малой трудоемкостью.

Ко второй группе относятся так называемые геомеханические методы, в основной части основанные на непосредственном измерении деформационных процессов в локальной области массива. Такие методы, как правило, обладают относительно высокой точностью определения напряжений, однако являются весьма трудоемкими и зачастую требующими дополнительного лабораторного определения физико-механических свойств горных пород.

К третьей группе относятся геофизические методы, основанные на изучении взаимосвязи природы, структуры, пространственной и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве с действующими в нем напряжениями. Такие методы позволяют производить контроль как ограниченных, так и сравнительно больших областей массива. Точность определения абсолютных значений действующих напряжений достаточно низка, в то же время они информативны при изучении динамики напряжений во времени и пространстве.

На рис. 1.2 представлена общая классификация методов оценки напряженно-деформированного состояния массива.

геологических и геотектонических - Метод частичной массива - Оценка НДС на - Оценка НДС дискованию керна Рис. 1.2. Классификация методов оценки напряженного состояния массива горных пород

2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД

2.1. Оценка напряженного состояния массива на основе общего геологического и геотектонического анализа района Безусловно, для точного определения величин и направлений напряжений, действующих в массиве, необходимо прибегать к геомеханическим и геофизическим измерениям. Но для приближенной предварительной оценки представляется возможным использовать результаты анализа геологического и геотектонического состояния массива [7].

Прежде всего определяется тип массива горных пород, который может относиться к одной из четырех групп: породный массив кристаллического фундамента, область контрастно выраженной складчатости чехла платформ, слабо метаморфизованные породы чехла, а также осадочные комплексы (к которым относятся месторождения бурого угля, солей и гипса). Для первых двух типов, как правило, характерно существенное проявление тектонических сил, при этом горизонтальные сжимающие напряжения могут превосходить вертикальные. В массиве третьей группы тектонические силы проявляются весьма слабо, для четвертой же группы напряженнодеформированное состояние массива определяется исключительно весом налегающих пород.

Дополнительную информацию о горизонтальных напряжениях возможно получить из анализа горизонтальных перемещений земной коры. Значительные перемещения, как правило, обусловливают высокий уровень напряжений, действующих в горизонтальной плоскости.

Наряду с тектоническими характеристиками следует также учитывать характеристику древних геологических структур, в частности трещиноватость массива. Как правило, в сильнотрещиноватых породах максимальные величины напряжений меньше, чем в аналогичных монолитных упругих массивах.

Одним из важных критериев предварительной оценки является сейсмическая активность района. Районы, в которых регистрируются сейсмические события высокой энергии и повторяемости, обладают большими величинами касательных напряжений. Верхний предел касательных напряжений по сейсмологическим оценкам равен 30 МПа [8].

2.2.

визуального обследования горных выработок Визуальное обследование горных выработок позволяет получить предварительные представления о структуре поля напряжений в пределах изучаемого месторождения [7]. Одним из критериев успешной оценки является высокий уровень напряжений на контуре выработок. Обычно такие напряжения должны превышать половину предела прочности пород на сжатие.

При помощи визуального обследования возможно решить следующие задачи: определение характера напряженного состояния массива (его принадлежность к гидростатичному или негидростатичному состоянию); определение приближенного направления максимального напряжения 1; оценка однородности поля напряжений на различных участках, в частности, с изменением глубины.

К объектам визуального осмотра относятся горизонтальные, вертикальные и наклонные незакрепленные горные выработки, а также буровые скважины, находящиеся вне зоны влияния очистных работ. При осмотре основным показателем проявления горного давления служат локальные разрушения горных пород на контурах выработок.

Для гидростатического напряженного состояния характерны равномерные нарушения пород на кровле и стенках выработок. При этом области разрушений не зависят от выбора направления в горизонтальной плоскости. Отклонения в равномерности разрушений могут быть связаны с высокой трещиноватостью и слоистостью пород, что также устанавливается в процессе визуального осмотра.

Для негидростатического напряженного состояния характерно преимущественное разрушение стенок или кровли горизонтальных горных выработок различной направленности.

При оценке направления максимального напряжения в горизонтальной плоскости визуальному осмотру подлежат незакрепленные вертикальные горные выработки. В случае достаточно большого значения 1 может иметь место хрупкое разрушение пород в стенках таких выработок на участках, простирание которых близко к направлению действия максимального главного напряжения. Пример расположения таких нарушений приведен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема расположения зон разрушений в вертикальной выработке:

1, 2 – зоны локальных разрушений Вертикальное или горизонтальное направление 3 возможно также оценить с помощью визуальной оценки хрупких разрушений на контуре горизонтальных одиночных выработок. При вертикальном направлении 3 зоны разрушений будут находиться на стенках выработок, а при горизонтальном – в кровле.

2.3. Оценка напряженного состояния массива по дискованию керна в скважинах Как правило, наибольший интерес представляет максимальное из главных напряжений, действующих в определенной области массива. Такое напряжение численно можно определить по формуле (2.1) при наблюдении хрупкого разрушения участков горных выработок где М – напряжения в массиве; сж – предел прочности образцов при одноосном сжатии.

Коэффициент в знаменателе выражения (2.1) является произведением приближенных значений коэффициента К1 перехода от прочности пород в образце к прочности пород на контуре выработки и коэффициента К2 концентрации напряжений на контуре выработки.

В случае, когда при бурении скважин происходит дискование керна – его дробление на разные по толщине диски, значение максимального сжимающего напряжения может быть оценено по формуле Пример дискования керна приведен на рис. 2.2. В этом случае эмпирический коэффициент 2 учитывает переход от напряжений на торце скважины к напряжениям в массиве. Более детальный анализ конкретных геологических условий может привести к нахождению конкретных корреляционных зависимостей между толщиной получаемых дисков и действующими в массиве напряжениями [9].

3. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД

3.1. Метод разгрузки керна Метод основан на взаимосвязи между действующими напряжениями и деформациями упругого восстановления элемента горной породы, проявляющимися в процессе нарушения связи этого элемента с окружающим массивом [10,11,12,13,14,15].

По техническому обеспечению и методике проведения натурных измерений методы разгрузки можно подразделить на три основных типа:

1) схема ВНИМИ (измерение деформации торца керна, обуренного кольцевой щелью);

2) схема Н. Хаста (измерение изменения диаметра центрального отверстия, пробуренного в керне, разгруженном кольцевой щелью);

3) схема Е. Лимана (измерение деформаций центрального отверстия, пробуренного в керне, разгруженном кольцевой щелью).

Схема ВНИМИ позволяет с достаточной точностью определять абсолютные значения и направления действия главных напряжений в массиве. Для корректного определения этих величин необходимо бурение не менее трех разноориентированных скважин достаточной глубины и диаметром 78-80мм.

Суть метода сводится к следующему. В исследуемой точке массива бурится измерительная скважина. Торец скважины шлифуется с помощью специальной буровой коронки. Затем на этот торец с помощью специального досылочно-ориентирующего устройства приклеивают розетку тензоэлектрических датчиков, ориентированных под разными углами.

После полной полимеризации клея торец скважины обуривают кольцевой щелью. Полученный при этом керн начинает деформироваться вследствие нарушения связи с окружающим массивом. Соответствующие деформации регистрируются с помощью тензодатчиков.

Связь между деформациями и напряжениями в массиве горных пород устанавливают на основе существующих решений краевых задач теории упругости для плоскости с круговым вырезом. Определенные с помощью таких вычислений напряжения будут являться главными.

При этом необходимым условием является знание упругих констант горных пород, слагающих исследуемый массив.

В общем случае переход от измеренных на торце разгруженного керна деформаций 1, 2 и 3 по трем направлениям к главным напряжениям 1, 2 и 3 производится на основании выражений где – коэффициент бокового распора.

Проведение измерений по схеме ВНИМИ иллюстрируется рис.

3.1.

Рис. 3.1. Схема измерений по ВНИМИ: 1 – измерительная скважина; 2 – обуренный керн; 3 – кольцевая щель; 4 - тензодатчики Схемы Хаста и Лимана принципиально схожи и заключаются в бурении на выбранном участке массива двух соосных скважин. Первая скважина является опережающей с диаметром 40мм, в которой устанавливают деформометр (по схеме Хаста) или на стенки которой наклеивают тензодатчики (по схеме Лимана).

Далее проводят соосную с первой разгрузочную скважину диаметром 100 – 120мм. Из нее бурят кольцевую щель того же диаметра, разгружая тем самым получившийся керн с центральной скважиной.

В случае использования схемы Хаста с помощью деформометра замеряют начальные параметры контура скважины (в нетронутом массиве) и параметры контура скважины в разгруженном керне.

В случае использования схемы Лимана замеряют деформации керна с помощью тензодатчиков.

Общий вид измерений по схемам Хаста и Лимана представлен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Общий вид измерений по схеме Хаста (а) и по схеме Лимана (б): 1 – опережающая скважина; 2 – разгрузочная скважина; 3 – кольцевая щель; 4 – скважинный деформометр; 5 – тензодатчики Следует отметить, что применение описанного метода связано с рядом ограничений. Так, в случае измерения деформаций в осадочных породах кроме упруго-мгновенных деформаций в них также возникают деформации ползучести, существенно усложняющие вычисления значений действующих в массиве напряжений. Кроме того, невозможным оказывается использование методов разгрузки в сильнотрещиноватых массивах. Очевидной является также трудоемкость метода.

3.2. Метод частичной разгрузки Метод частичной разгрузки основан на измерении деформаций области массива, разгруженной центральным отверстием [16].

Различают два вида методов частичной разгрузки: метод разгрузки с наклеиванием тензодатчиков и метод разгрузки с использованием съемных тензометров.

Первый применяется на сухих ровных поверхностях обнажения, на которые возможно наклеивать тензодатчики. В сильно обводненных массивах наклейка тензодатчиков невозможна, поэтому применяют съемные тензометры. Схемы измерений обоими вариантами исполнения метода частичной разгрузки представлены на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схемы измерений с помощью наклеиваемых тензодатчиков (а) и съемных тензометров (б) Связь между напряжениями и деформациями наклеиваемых тензодатчиков (Рис. 3.3 а) определяется выражениями (3.4-3.5) где ai – деформация соответствующих (i = I, II, III) тензодатчиков, равная произведению значения давления на тарировочный коэффициент.

Коэффициенты K1 и K 2 рассчитываются по формулам (3.6–3.7) где – коэффициент Пуассона горных пород, а остальные обозначения указаны на рис. 3.3.

В случае использования съемных тензометров (рис. 3.3 б) соотношения между деформациями и напряжениями определяются выражениями (3.8–3.11) где a1,2, a2,3, a3,1 – деформация соответствующих тензометров, определяемая произведением цены деления прибора n, длины рабочего участка деформируемого элемента Б и тарировочного коэффициента Ктар.

В варианте метода частичной разгрузки, в котором используются наклеиваемые тензодатчики, последние вклеиваются в «ванночку»

из оргстекла с толщиной дна не более 0,2мм. Провода выводят через крышку корпуса и тщательно изолируют. Сопротивление изоляции такого датчика составляет 100 – 150 МОм. Оргстекло корпуса не оказывает существенного влияния на точность определения деформаций.

Схема конструкции такого датчика представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема тензометрического датчика: 1 – тензорезистор; 2 – нижняя часть корпуса; 3 – крышка корпуса; 4 – изолированные электрические выводы В варианте исполнения метода со съемными тензодеформометрами аналогичные датчики наклеивают на деформируемый элемент, который закрепляется посредством шаровых опор между установленными в массиве пород анкерами.

Описанный метод характеризуется относительно низкой трудоемкостью, однако позволяет определять значения напряжений только вблизи горной выработки. Кроме того, на его точность влияют погрешности определения упругих характеристик горных пород в месте проведения исследований.

3.3. Метод щелевой разгрузки Метод щелевой разгрузки является одним из видов методов разгрузки, основанных на оценке деформаций массива после нарушения его сплошности [17,18,19]. По сравнению с методами разгрузки керна метод щелевой разгрузки характеризуется меньшей зависимостью от разномодульности горных пород в зоне измерений, т.к. зона разгрузки достигает трех размеров щели.

Сущность метода состоит в образовании в массиве щели и измерении деформаций ее стенок. Схема измерений представлена на рис.

3.5.

Рис. 3.5. Схема щелевой разгрузки: 1 – щель; 2 – деформометр; 3 – реперы; 4 – массив горных пород Величину напряжений, действующих перпендикулярно к плоскости щели, определяют по формуле (3.12) [20] где UAB – деформация массива между точками А и В после образования щели, см; Е – модуль упругости породы, МПа; R – радиус щели, см; l - расстояние между точками А и В, см; K ( ), K||( ) - коэффициенты концентрации напряжений в направлениях соответственно перпендикулярно и параллельно щели, которые берут из зависимостей, представленных на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Зависимости коэффициентов К концентрации приконтурной части разгрузочной щели при действии нагрузки перпендикулярной к ее плоскости от отношения l/(4R) Метод реализуется следующей последовательностью операций.

На поверхности обнажения бурят два крайних шпура, а также отверстия под реперы в точках А и В. В подготовленных отверстиях закрепляют реперы и устанавливают деформометр. Снимают первичные показания деформометра с точностью до 0,002 мм. Затем пробуривают щель и повторно снимают показания деформометра. По разнице показаний деформометра оценивают степень деформации разгруженного массива. Абсолютные значения напряжений определяют по формуле (3.12).

Применение описанного метода позволяет получить информацию о напряжениях в массиве на глубине до 1м, что накладывает определенные ограничения на его использование. С другой стороны, измерения с использованием разгрузочной щели обладают относительно низкой трудоемкостью и достаточно высокой точностью определения вертикальной компоненты напряжений, что позволяет широко применять метод в различных горно-геологических условиях.

3.4. Метод упругих включений Метод упругих включений используется для оценки изменения напряженного состояния массива.

Указанный метод основан на применении фотоупругих датчиков (тензометров), обладающих свойством изменять степень прозрачности в поляризованном свете при воздействии на них определенной нагрузки. В сложнонапряженном состоянии в таком датчике можно наблюдать сложную картину изохром и изоклин, обладающих двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии, указывающими на направление главных нормальных напряжений. В случае когда компоненты таких напряжений равны, в поляризованном свете на картине полос фотоупругого тензометра можно наблюдать ряд концентрических окружностей [21,22,23,24,25].

Абсолютные напряжения в массиве определяются сложением первоначальных напряжений, измеренных одним из методов разгрузки, и приращенных напряжений, измеренных с помощью метода упругих включений. В данном случае комплексирование геомеханических методов является обязательным условием определения абсолютных значений действующих в массиве напряжений.

Схема размещения фотоупругого датчика представлена на рис.

3.7.

Рис. 3.7. Схема размещения фотоупругого датчика: 1 – фотоупругий датчик; 2 – светоотражающий слой; 3 – предохранительные трубки; 4 – цементный раствор; 5 – шпур; 6 – объектив полярископа Аппаратурное обеспечение метода включает сам фотоупругий датчик, а также набор досылочного и установочного оборудования.

Фотоупругий датчик представляет собой стеклянный диск с центральным отверстием. Наиболее часто применяется разновидность метода упругих включений с использованием отражающего полярископа, поэтому обратную сторону диска покрывают отражающим слоем, защищенным от коррозии и механических повреждений несколькими слоями краски. В качестве материала для датчика служит оптическое стекло. Важным является отсутствие в указанном стекле релаксационных процессов, при этом наиболее подходящим можно считать стекло марки К-8, обладающее наибольшим модулем упругости.

Для различных глубин заложения и различных диаметров шпуров используются различные датчики. Характерные размеры существующих датчиков указаны в табл. 1.

Табл. 1. Характерные размеры фотоупругих датчиков и глубина их установки Толщина датчика tд напрямую зависит от наружного его радиуса Rн и определяется выражением С целью обеспечения точности измерений напряжений фотоупругий датчик должен находиться в плосконапряженном состоянии.

Для этого к нему с двух сторон приклеивают металлические трубки, имеющие такую же жесткость, как и сам датчик. Для датчиков с внешним диаметром 35, 56 и 90 мм толщина трубки из стали марки Ст.3 составляет соответственно 6, 9 и 16мм.

Цементный раствор подают в шпур с помощью полого цилиндра с поршнем, которым выталкивают указанный раствор в шпур. С помощью этого же устройства в шпуре размещают фотоупругий элемент. С целью защиты датчика от механических повреждений в устье шпура закрепляют трубу с завинчивающейся пробкой, которая в последствии будет служить основой для установки полярископа.

Измерения напряжений с помощью полярископа начинают с определения направления действующих в массиве главных напряжений. Определяют их по положению нулевых изоклин на изображении, полученном при прохождении поляризованного света через фотоупругий датчик. Затем определяют разность хода поляризованного света в точках на контуре внутреннего отверстия фотоупругого датчика.

Исследование датчика производится по методике, схожей с методикой исследования фотоупругого тензометра. Для определения напряжений также необходимо определить упругие характеристики породы, бетона и датчика по известным методикам [26].

Следует отметить, что необходимым условием проведения измерений является наличие у фотоупругого датчика более высокой жесткости, чем в окружающем его массиве горных пород.

3.5. Метод гидроразрыва Метод основан на принципе восстановления первоначальных напряжений в массиве горных пород и дальнейшего увеличения давления вплоть до образования в массиве трещин разрыва [27, 28].

Схема проведения испытаний методом гидроразрыва представлена на рис. 3.8.

Суть метода сводится к следующему. Из горной выработки в направлении действия одного из главных напряжений бурится измерительная скважина, в которой на определенной глубине устанавливаются два пакера. Через отверстие в одном из них в скважину с помощью насоса нагнетается жидкость.

Рис. 3.8. Схема проведения испытаний методом гидроразрыва: 1 – измерительная скважина; 2 – пакеры; 3 – трещина разрыва; 4 – маслопровод; 5 – маслостанция; 6 – массив горных пород Скорость нагнетания жидкости должна быть достаточно высокой, чтобы минимизировать фильтрационные потери и поровое давление. При достижении в замкнутом объеме участка скважины определенного значения давления жидкости по площадке в массиве с наибольшим растягивающим тангенциальным напряжением инициируется трещина разрыва. Направление развития трещины в этом случае будет совпадать с направлением действия максимального сжимающего напряжения, находящегося в плоскости, ортогональной оси скважины.

Возможность повторного нагружения скважины позволяет выделить на диаграмме зависимости давления от времени характерные зоны, используемые в дальнейшем при интерпретации результатов. К таким зонам относятся значения Рс - давление разрыва скважины при первом нагружении, Рr - давление раскрытия трещины при повторных циклах нагружения, Ps – давление закрытия трещины. Пример диаграммы давление – время приведен на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Пример изменения давления с течением времени испытания при реализации метода гидроразрыва Важным является тот факт, что давление жидкости при гидроразрыве и напряжения в исследуемом массиве имеют одну и ту же размерность (МПа), что исключает необходимость дополнительно определять деформационные свойства горных пород.

Связь между выделенными характерными значениями Рс, Рr и Ps и напряжениями в массиве min и max определяется по формулам (3.14-3.16) где min, max – соответственно минимальные и максимальные напряжения в плоскости измерений; p – прочность горных пород при растяжении.

После образования трещины ее дальнейшее расширение происходит при давлении min. В процессе измерений фиксируют показания манометра и по ним определяют min и max.

Из формул (3.14-3.16) видно, что по измерению в одной скважине невозможно определить полный тензор напряжений в массиве.

Для определения всех компонент напряжений необходимо производить измерения в нескольких разноориентированных скважинах.

Измерения обычно проводят по следующей схеме. Вдоль направления действия одного из главных напряжений (за такое направление часто принимают вертикальное) бурят измерительную скважину, в которой производят соответствующие измерения. Измерения в скважине необходимо производить вне зоны влияния горной выработки, т.е. на глубине 1 – 1,5 диаметра. По результатам таких измерений определяют направление действия двух других главных напряжений, вдоль одного из которых бурится вторая измерительная скважина. По измерениям во второй скважине определяют остальные значения главных напряжений. С целью повышения точности и достоверности измерений обычно бурят дополнительную скважину, ортогональную двум первым. Данные, полученные в процессе испытаний последней скважины, должны подтверждать первоначально измеренные значения главных напряжений.

Ориентацию полученной трещины, необходимую для определения действия главных напряжений, определяют с помощью следующих методов: оптических (с применением специальных оптических устройств, скважинных телевизоров), механических (получение отпечатка скважины на импрессионном пакере), геофизических (ультразвуковое прозвучивание скважин).

Описанный метод обладает сравнительно низкой трудоемкостью, обеспечивая при этом определение как направления действия главных напряжений, так и их абсолютных значений. При этом на метод накладывается ряд ограничений, связанных с невозможностью проведения измерений в сильнотрещиноватых массивах.

В известной степени указанных недостатков можно избежать, применяя метод так называемого механического разрыва. По своей сути он схож с методом гидроразрыва. К основному отличию можно отнести то, что давление от жидкости передается не непосредственно на стенки скважины, а через эластичную оболочку, что позволяет избежать фильтрационных процессов и повысить экологичность измерений.

Момент образования трещины в этом случае напрямую увязывается со скоростью деформации массива вокруг скважины. Деформации измеряются интегрально с помощью замера расхода нагнетаемой жидкости либо с помощью устанавливаемых в скважинном зонде деформационных датчиков. Все это в значительной степени повышает стоимость и трудоемкость измерений, но при этом позволяет производить измерения на таких участках массива, на которых измерения с помощью обыкновенного гидроразрыва оказываются невозможными.

3.6. Метод разности давлений Метод разности давлений основан на применении гидравлических датчиков для создания в измерительной скважине определенного уровня давления, которое принимают за начальное. По изменению давления в гидросистеме оценивается приращение напряжений, вызванное ведением горных работ и другими производственными факторами [29,30,31].

Комплект измерительной аппаратуры состоит из маслостанции, маслопровода, манометра и гидравлического датчика.

Гидравлический датчик представляет собой устройство для равномерной передачи гидростатического давления из гидросистемы на стенки измерительной скважины. Датчик состоит из толстостенной резиновой оболочки, двух запирающих шайб, центрального стягивающего стержня и штуцера для присоединения высоконапорного маслопровода. Схема датчика представлена на рис. 3.10.

Для создания в гидросистеме давлений до 16 МПа предназначена маслостанция. Масло подается к гидравлическому датчику посредством маслопровода, представляющего собой латунную трубку с толщиной стенок на менее 1мм и внутренним диаметром не менее 0,3мм.

Манометр предназначен для измерения давления масла в гидросистеме, которое уравновешивается давлением массива горных пород в окрестностях гидравлического датчика.

Суть измерений сводится к следующему. С поверхности обнажения в массив бурится измерительная скважина, в которой на определенной глубине устанавливается гидравлический датчик, присоединенный посредством маслопровода к манометру и маслостанции.

С помощью указанной маслостанции в гидросистеме создается давление в 10-15 МПа, после чего ее отсоединяют от гидросистемы. При этом на манометре фиксируется определенный уровень давления.

Рис. 3.10. Схема гидравлического датчика: 1 – толстостенная резиновая оболочка; 2 – запирающие шайбы; 3 – стягивающий стержень; 4 - штуцер При последующем изменении напряженного состояния массива в окрестностях точки измерения давление в гидросистеме изменится, что возможно зафиксировать с помощью установленного манометра.

Общая схема проведения измерений приведена на рис. 3.11.

Описанный выше метод нашел широкое применение при разработке угольных пластов с низкой устойчивостью, подверженных внезапным выбросам и горным ударам. Метод отличается простотой и точностью определения приращения напряжений, нормальных к поверхности скважины, однако не позволяет определить абсолютные значения напряжений, действующих на рассматриваемом участке массива.

Рис. 3.11. Общая схема проведения измерений методом разности давлений: 1 измерительная скважина; 2 - гидравлический датчик; 3 – маслопровод; 4 – манометр; 5 – маслостанция; 6 - массив горных пород 3.7. Метод буровых скважин Большинство осадочных горных пород обладает свойством ползучести – способностью к длительным деформациям при напряжениях до 70% от предела прочности. При этом значения деформаций ползучести могут достигать 150 - 370% от упругих [32].

Оценка напряжений в массиве горных пород производится путем измерения деформаций ползучести. Для этого из горной выработки вглубь массива бурится измерительная скважина, в которой размещается деформометр, с помощью которого регистрируются деформации контура скважины.

Одним из вариантов исполнения скважинного метода является применение скважинных динамометров – устройств, измеряющих непосредственно напряжения, вызываемые деформацией измерительной скважины. С целью установления взаимосвязи между деформациями и напряжениями скважинные динамометры тарируют в лабораторных условиях на образцах материалов со сходными с горными породами упругими характеристиками.

В случае использования скважинных динамометров существует два варианта проведения измерений – измерение абсолютных значений действующих в массиве напряжений и измерение приращения напряжений, вызванного различными горно-технологическими процессами.

В первом случае необходимо после установки динамометра создать в нем начальное пригрузочное давление, в случае напряженного состояния приближенного к гидростатическому, равное h. В случае если напряженное состояние массива отличается от гидростатического, начальное давление рассчитывают по формуле (3.17) где i – наибольшее главное напряжение; – коэффициент бокового распора. В пластичных горных породах может достигать значений 0,6 – 0,8.

В случае определения приращения напряжений в динамометре создается небольшой дополнительный распор, обеспечивающий прочный контакт динамометра с горной породой.

Измерения приращений напряжений производят в трех ортогональных скважинах, направление которых совпадает с направлением главных напряжений в массиве (направление главных напряжений в массиве определяется расчетно, а также геомеханическими или геофизическими методами). Приращение напряжений по осям x, y и z можно рассчитать по формулам (3.18-3.20) [33] где 1, 2 и 3 – величины изменения напряжения в датчиках, расположенных соответственно по осям x, y и z; Ку – коэффициент, учитывающий упругое взаимодействие датчика и среды.

Наиболее часто при реализации скважинных методов применяются гидравлические датчики. На точность определения напряжений в случае применения гидравлических датчиков оказывает характер контакта оболочки датчика со стенками скважины, а также упругие свойства горного массива. В общем случае относительная погрешность таких измерений составляет не менее 20 – 30%.

4. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА

ГОРНЫХ ПОРОД

4.1. Ультразвуковые методы определения напряжений в массиве горных пород Сущность извлечения искомой информации о горной породе ультразвуковыми (УЗ) методами сводится к следующему. В процессе своего распространения УЗ колебания (УЗК) взаимодействуют с первичными полями различной физической природы, характеризующими горную породу как объект исследований и контроля. В частности, это относится к полям напряжений. При этом изменяются параметры УЗ колебаний. В результате последние становятся носителями измерительной информации. В то же время сами УЗК, являясь низкоэнергетическими, на исследуемые первичные поля практически не влияют.

Таким образом, проблема определения параметров первичных физических полей сводится к измерению параметров распространяющихся в массиве УЗ сигналов, осуществляемому современными радиоэлектронными средствами [34].

В качестве информативных параметров УЗ контроля чаще всего используются скорости распространения продольных Cp и (реже) поперечных Cs упругих волн, а также их коэффициенты затухания p и s соответственно. Частотный диапазон, используемый при измерениях в массиве, обычно составляет от 30 до 150 кГц.

Качественная зависимость скорости распространения УЗК от приложенной нагрузки С = f (P) в большинстве горных пород представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Качественная зависимость скорости распространения упругих волн в функции от одноосного давления на образец горных пород На участке Р0 – Р1 (Р 0,5 Рр, где Рр соответствует давлению, при котором начинается разрушение) в породе происходит закрытие микротрещин, увеличение числа и площади упругих контактов между отдельными зернами. Это приводит к уплотнению породы, возрастанию модуля упругости и, как следствие, наиболее резкому увеличению скорости по сравнению с исходным (при Р0 = 0) значением С0.

Увеличение давления на участке Р1 – Р2 сопровождается деформациями в основном за счет сжатия внутрипорового пространства и частично твердого скелета. Рост скорости здесь существенно замедляется или вообще отсутствует. При последующем увеличении нагрузки (участок Р2 – Р3) в породе появляются более значительные деформации, местные нарушения сплошности, а затем происходит и полное ее разрушение. Скорость распространения УЗК на этом участке падает.

Крутизна кривой С = f (P) на каждом из указанных участков, а также границы и протяженность последних индивидуальны для отдельных типов пород и зависят от вида напряженного состояния.

Наибольшее изменение скорости происходит в направлении приложения нагрузки при одноосном сжатии и в направлении наибольшего напряжения при трехосном нагружении. Таким образом, неравномерное нагружение обусловливает появление скоростной анизотропии в горных породах изотропного строения и ее изменение в породах анизотропного строения. Количественно скоростная анизотропия определяется соответствующим коэффициентом Ка, равным отношению скоростей по взаимно перпендикулярным направлениям, или К'а, равным приращению скорости по одному из направлений относительно другого в процентах где C|| и C - скорости распространения упругих волн в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В общем случае акустический коэффициент скоростной анизотропии является функцией разности главных напряжений.

С увеличением гидростатического давления до 100 – 200 МПа коэффициент анизотропии скорости может резко уменьшаться.

Например, это характерно для большинства метаморфических пород.

Изменение коэффициента затухания с давлением имеет характер, обратный зависимости С = f (P), т.е. если последняя имеет возрастающий характер, то зависимость = f (P) – ниспадающий. Причем при одних и тех же нагрузках степень изменения существенно больше, чем С (рис. 4.2). Так, при давлениях до 20-30 МПа изменения скоростей распространения УЗК обычно не превышают 10-15%, в то время как затуханий – 80-100% и более. Изменение с давлением скорости распространения поперечной волны, как правило, в 2-5 раз меньше, чем продольной.

Рис. 4.2. Относительные изменения скоростей и затухания УЗ волн в функции от величины напряжений в образце кузбасского песчаника: 1 - Ср; 2 – Сs; 3 - р Происходящие под влиянием давления структурные изменения в геоматериалах приводят к изменению не только скорости и затухания УЗ сигнала, но и его формы и спектра. Так, при прозвучивании угля перпендикулярно слоистости широкополосным УЗ сигналом с резонансной частотой 1 МГц, увеличение гидростатического сжатия от 0,1 МПа до 20 МПа приводит в смещению максимума спектральной плотности от 180 кГц до 240 кГц [35]. При этом амплитуды первой полуволны и всего волнового пакета увеличиваются примерно в 20 раз, а отдельные составляющие волнового пакета приобретают более упорядоченную и близкую к синусоидальной форму.

Аналитических зависимостей С = f (P) и = f (P) для всего диапазона нагрузок до настоящего времени не получено.

В первом приближении для описания изменений скоростей и затухания УЗ волн в функции от напряжений в пределах нагрузок, соответствующих участку Р0 – Р1, могут быть использованы следующие соотношения [36]:

где Срх, Сsу, Сsz – скорости распространения продольных и поперечных волн при наличии напряжений; Ср0, Сs0 – скорости распространения продольных и поперечных волн при отсутствии напряжений; xx,yy,zz – напряжения вдоль осей X, Y, Z соответственно; К – модуль объемной упругости; р и р0 – коэффициенты затухания продольных волн при наличии и отсутствии напряжений.

Кроме указанных выше существуют и другие аналитические соотношения, связывающие напряжения с информативными параметрами УЗ контроля, преимущественно скоростями распространения упругих волн. Информацию о некоторых из них можно найти, например, в [37]. Однако следует иметь в виду, что все указанные соотношения получены для относительно простых моделей геосреды, не учитывающих все многообразие ее свойств и условий нагружения in situ. В связи с этим на практике для количественной оценки напряжений в основном используются экспериментальные тарировочные зависимости. Большинство из них получено на образцах и отражает взаимосвязь = f (Cp) [34-37]. Указанная взаимосвязь не может быть признана достаточно надежной в силу принципиального отличия упругих, плотностных и других влияющих на величину Ср свойств горных пород в образцах и массиве.

Один из вариантов получения взаимосвязи = f (Cp) в натурных условиях заключается в бурении трех шпуров, находящихся в одной плоскости. В верхнем шпуре размещают гидродомкрат, подключенный посредством гидропровода к соответствующему насосу, а в нижних шпурах размещают акустические зонды с приемником и излучателем. Постепенно увеличивая давление Р, развиваемое гидродомкратом, снимают показания скорости прохождения продольной волны от излучателя к приемнику. Сопоставляя исходное давление с полученными скоростями, получают тарировочные зависимости «скорость продольной волны - напряжение», характерные для данной области массива. Схема проведения натурной тарировки представлена на рис.

4.3.

Рис. 4.3. Схема натурной тарировки ультразвукового метода: 1 – шпуры;

2 – гидродомкрат; 3 – гидропровод; 4 – насос; 5 – излучатель; 6 – приемник; 7 – регистрирующее устройство При определении напряжений в приконтурном массиве горных пород в зависимости от реализуемой схемы измерений различают:

1) метод ультразвукового прозвучивания;

2) метод ультразвукового каротажа;

3) метод отраженных волн.

Метод проходящих волн (прозвучивания) занимает доминирующее положение среди УЗ методов геоконтроля. Это связано, с одной стороны, с наиболее совершенным их методическим и аппаратурным обеспечением, а с другой - с возможностью использования этих методов в широком диапазоне контролируемых баз (от нескольких сантиметров до нескольких метров) как на образцах, так и в массиве горных пород (вариант межскважинного прозвучивания).

При прозвучивании область воздействия эксперимента (контролируемая область горных пород) располагается между излучателем и приемником УЗ колебаний. Это предопределяет основной недостаток метода, связанный с необходимостью двустороннего доступа к контролируемой области. Другим его недостатком является невысокая фронтальная разрешающая способность и отсутствие разрешающей способности вдоль направления прозвучивания.

Одна из наиболее часто решаемых с использованием УЗ методов задач геоконтроля заключается в изучении характера пространственного распределения напряжений в окрестностях выработок и его динамики во времени.

Проведение горных выработок сопровождается перераспределением исходного поля напряжений в окружающем их массиве. Как следствие, по мере удаления от контура выработки формируются зоны: нарушенных пород с пониженной несущей способностью; опорного давления, где уровень напряжений максимален; естественных напряжений, где влияние выработки на НДС массива практически не проявляется. Знание границ расположения каждой из указанных зон необходимо для решения ряда практических задач геомеханики, и в частности, прогнозирования устойчивости выработок [38].

Последовательность операций при реализации измерений методом прозвучивания следующая. Из горной выработки в массив бурят набор параллельных шпуров по треугольной или круговой схеме, как показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Расположение измерительных шпуров по треугольной (а) и круговой (б) схемам Далее скважинные зонды (одна из возможных конструкций которых представлена на рис. 4.5) размещаются в параллельных шпурах. Акустический преобразователь в одном из зондов используется в качестве излучателя импульсных УЗ колебаний, а во втором – в качестве приемника. Затем зонды перемещаются синхронно и дискретно вглубь массива. При этом на каждом шаге перемещения обеспечивается надежный акустический контакт преобразователей с массивом и осуществляется измерение информативных параметров УЗ контроля, чаще всего величина Ср, пространственное распределение которой отражает пространственное распределение напряжений [39].

Обоснование геометрических характеристик УЗ контроля при прозвучивании дано в [40], где показано, что для обеспечения необходимой точности измерений база (расстояние между скважинами) должна составлять где L – абсолютная погрешность определения величины L; с – допустимая относительная погрешность измерения величины Ср; t - относительная погрешность измерения времени распространения УЗ сигнала.

Рис. 4.5. Схема конструкции скважинного зонда для метода прозвучивания: 1корпус; 2 - пьезоэлектрический преобразователь; 3 – передняя накладка из полиуретана СКУ-В; 4– резиновый рукав; 5 - электрические выводы пьезопреобразователя; 6 – канал для подачи сжатого воздуха для прижима преобразователя к стенке скважины; 7 – штуцер подключения пневмопровода При этом для исключения значимого влияния на результаты измерений самих шпуров (диаметром d) должно еще выполняться условие С учетом соотношений (4.6) и (4.7) при L 0,01м, t 3% и d 0,042м величина L обычно составляет 0,4 0,6м.

Для получения статистически независимых результатов измерений величина шага прозвучивания (дискретного перемещения зондов) l (в сантиметрах) определяется из соотношения где f - рабочая частота УЗ преобразователей, которая обычно находится в диапазоне 60 100 кГц; L – база проведения контроля, см.

УЗ каротаж представляет собой скважинный метод геофизических исследований, основанный на изучении акустических свойств горных пород, пересекаемых скважиной и непосредственно примыкающих к ней. Реализация этого метода предполагает использование одного скважинного зонда, в котором расположены излучатель и один или несколько приемников УЗ импульсных сигналов (см. рис.

4.6).

Рис. 4.6. Схема конструкции скважинного зонда для метода акустического каротажа:

1 – металлический корпус; 2 – излучатель УЗ импульсов; 3 – приемники УЗ импульсов; 4 - резиновые мембраны; 5 – резиновый надувной рукав для обеспечения контакта акустических преобразователей с массивом; 6 – штуцер для подключения пневмопровода; 7 – электрические выводы преобразователей Такой зонд перемещается вдоль линейного профиля, расположенного на оси водозаполненной, либо образующей сухой скважины.

По характеру распределения измеренных акустических характеристик вдоль профиля судят о характере распределения напряжений в приконтурном массиве. Интерпретация результатов каротажных измерений (особенно в водозаполенных и обсаженных скважинах) имеет свои особенности и специфику, которые достаточно подробно отражены, например, в [34].

УЗ метод отраженных волн предполагает излучение в контролируемую область массива и последующую регистрацию отраженного от естественной или искусственной неоднородности в нем УЗ сигнала. Метод имеет относительно ограниченное применение при изучении НДС геосреды, что можно объяснить значительными потерями мощности сигнала на удвоенной базе его распространения (от совмещенного акустического преобразователя до отражающей неоднородности и обратно), а также на границе между вмещающей геосредой и неоднородностью, поскольку коэффициент отражения от последней может быть значительно меньше единицы.

Однако в том случае, если исследуемый массив представлен породами с незначительным затуханием упругих волн, а неоднородность имеет резко отличное от вмещающей среды волновое сопротивление, УЗ контроль напряжений методом отраженных волн не только возможен, но и обеспечивает ряд преимуществ.

Сущность соответствующего способа контроля иллюстрируется схемой на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Схема реализации УЗ контроля напряжений в приконтурном массиве методом отраженных волн: 1 – УЗ прибор; 2 – скважинный зонд; 3 – измерительный шпур; 4 – отражающий шпур Метод отраженных волн отличается тем, что излучение и прием УЗ импульсов осуществляют совмещенным или раздельносовмещенным преобразователем из одного из шпуров (измерительного). Второй (параллельный первому) шпур используется в качестве отражающей границы, а информативным параметром контроля является отношение амплитуд огибающих однократно и двукратно отраженных от указанной границы импульсных УЗ сигналов. Измеренное на разных расстояниях до контура выработки указанное отношение будет отражать характер пространственного распределения напряжений [41].

Высокая помехозащищенность контроля рассматриваемым способом обеспечивается как за счет уменьшения влияния контактных условий, так и за счет высокой абсолютной информативности используемого информативного параметра. Действительно, отношение амплитуд огибающих однократно и двукратно отраженных от второго шпура (см. рис. 4.7 и 4.8) импульсов может быть записано в виде где U – электрическое напряжение возбуждения пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП); N1 – коэффициент электромеханического преобразования ПЭП; N2 – коэффициент прохождения УЗК через границы ПЭП-массив и массив-ПЭП; N3 – коэффициент передачи межскважинного пространства; N4 – коэффициент отражения УЗК от шпура; N5 – коэффициент механоэлектрического преобразования ПЭП; N6 – коэффициент отражения УЗК от измерительного шпура.

Если учесть, что при перемещении ПЭП в глубь массива коэффициенты N4 и N6 практически не изменяются, то из (4.9) следует, что параметр (А1/А2) может рассматриваться как функция только N3. Причем поскольку (А1/А2) имеет квадратичную зависимость от N3, то зоны с различным уровнем напряжений вокруг выработки должны выделяться по кривой А1 / А2 = f (l) более контрастно.

Рис. 4.8. Характерный вид огибающей осциллограммы на экране электронно-лучевой трубки УЗ прибора: 1,2 и 3 – импульсы возбуждающий, однократно и двукратно отраженные соответственно Расчеты, представленные в [41] свидетельствуют, что при р 1м-1 на частоте 100 кГц чувствительность современных УЗ приборов позволяет реализовать описанный выше способ. Это подтверждают также зависимости А1 / А2 = f (l) и (Ср)н = f (l), полученные на Криковской шахте пильных известняков и представленные на рис. 4. Рис. 4.9. Нормированные зависимости А1 / А2 = f (l) и (Ср)н = f (l) Сравнение этих зависимостей показывает, что каждая из них позволяет выявлять положение зоны опорного давления. Однако если отношение (А1 / А2)min в зоне опорного давления отличается от указанных отношений в зоне естественных напряжений и на контуре выработки на 42 и 65% соответственно, то значение Ср max в зоне опорного давления превышает значения в соответствующих зонах на 10 и 22%.

УЗ метод может использоваться также для определения полного тензора напряжений в массиве [42]. Для этого необходимо проведение измерений в трех ортогональных направлениях (в стенках и кровле горной выработки). Результатом таких измерений будут являться индикатрисы продольных волн – линии, характеризующие распределение величин скоростей в плоскости по разным направлениям. Схема расположения таких индикатрис в кровле и стенках выработки представлена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Схема расположения индикатрис скоростей по данным измерений в кровле и стенках выработки Анализ результатов шахтных измерений заключается в выявлении характерных особенностей вида индикатрис, соответствующих разным типам напряженного состояния.

Если индикатрисы скоростей в кровле выработки представляют собой окружности или эллипсы, а в стенках – эллипсы с большей вертикальной осью, то можно утверждать, что наибольшее напряжение в массиве вертикально.

Если индикатрисы скоростей в стенках представляют собой эллипсы с большей по величине горизонтальной осью, то можно утверждать, что наибольшее напряжение в массиве имеет горизонтальное направление, азимут которого определяется по измерениям в кровле выработки.

Если индикатрисы скоростей в кровле и одной из стенок близки к окружностям, то напряжение в массиве будет являться равнокомпонентным.

В случае когда индикатрисы скоростей в кровле и стенке выработки представляют собой произвольные эллипсы, параметры скоростного вектора, соответствующего наибольшему главному нормальному сжимающему напряжению, рассчитываются по формулам (4.8-4.11) где, и – углы, образуемые наибольшим главным напряжением с осями координат; Vmax – скорость в массиве, соответствующая наибольшему главному напряжению; Vmax – проекция максимальст ной скорости по измерениям в стенке; Vmax кр – проекция скорости по измерениям в кровле; ` - азимут проекции Vmax кр; ` - азимут проекции Vmax ст.

По значению Vmax с помощью полученной ранее тарировочной зависимости определяют величину наибольшего главного сжимающего напряжения. Аналогичным образом могут быть определены два других нормальных напряжения.

4.2. Гамма-метод определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород В основе гамма-метода оценки напряжений в массиве лежит явление ослабления радиоактивного излучения с повышением плотности горных пород, которая в свою очередь является функцией напряжений. В соответствии с проникающей способностью излучения для эффективной реализации метода подходит только гамма-излучение.

Методы, основанные на применении рентгеновского, а также - и излучения не отвечают требованиям глубинности и неприменимы для оценки напряжений в горных породах. Указанные виды излучений ограниченно применяются только для определения элементарного состава горных пород, а также оценки пористости пород на небольших глубинах [43,44].

Следует отметить, что коэффициент ослабления гаммаизлучения зависит не только от плотности горных пород, но и от энергии излучения, а также вещественного состава массива. Влияние энергии излучения легко исключается использованием источника определенной энергии, в роли которого чаще всего выступает кобальт-60 (энергетический спектр состоит из двух линий – 1.33 и 1. Мэв). Исключение влияния вещественного состава пород является важнейшей задачей ядерной геофизики [45].

Все гамма-методы определения напряжений в массиве горных пород можно подразделить на три основных типа:

1) метод узкого пучка;

2) метод широкого пучка;

3) метод рассеянного гамма-излучения.

В случае использования метода узкого пучка регистрации подлежит только первичное гамма-излучение, прошедшее через изучаемый слой горных пород. При этом рассеянное излучение исключают аппаратными способами. Метод узкого пучка из-за сложности аппаратуры чаще всего применяется для просвечивания образцов горной породы в лабораторных условиях.

В подземных условиях в основном применяется метод широкого пучка. При использовании этого метода регистрации подлежит как первичное, так и рассеянное излучение. В этом случае для регистрации гамма-излучения используются интегрирующие радиометры на газоразрядных счетчиках. Измерения производят в параллельных шпурах глубиной до 3м.

В методе рассеянного гамма-излучения регистрации подлежит только рассеянное излучение. Прямое излучение экранируется с помощью свинцовых экранов, расположенных между излучателем и приемником внутри одного зонда. Метод нашел широкое применение для оценки плотности пород в скважинах, глубиной до нескольких километров.

Для проведения натурных измерений напряжений в массиве горных пород методом рассеянного излучения используют два типа каротажных зондов - 4-зонды, излучение от которых распространяется на все пространство вокруг зонда, и 2-зонды, имеющие одностороннее излучение и регистрацию гамма-излучения. Схемы обоих типов зондов приведены на рис. 4.11. При этом 4-зонды чаще всего применяются в горном деле и строительстве в скважинах малого диаметра (30-60мм), а 2-зонды больше применимы для целей разведки и используются при каротаже в скважинах диаметром 90-110мм.

Рис. 4.11. Схемы 4 (а) и 2 (б) каротажных зондов: 1 – источник излучения; 2 – регистратор излучения; 3 – корпус зонда; 4 – свинцовый экран; 5 – измерительная скважина; 6 – прижимная скоба Отдельно стоит отметить, что источники ионизирующего излучения относятся к опасным производственным факторам. С целью снижения влияния излучения на организм человека применяются различные защитные меры, заключающиеся в различных типах экранирования, а также в обязательном использовании различных щипцов и манипуляторов при работе с радиоактивными материалами.

Впервые метод рассеянного излучения был применен в Чехословакии для оценки напряжений в скальных горных породах [46].

При этом напряжения создавались искусственно с помощью размещения специальной гидроподушки в оборудованной в массиве щели.

Пример полученной в результате исследований зависимости частоты импульсов ионизированного излучения от величины добавочных напряжений в массиве представлен на рис. 4.12.

имп./мин.

Рис. 4.12. Пример зависимости частоты импульсов ионизированного излучения от изменения напряженного состояния массива горных пород (рудник «Анна», Чехословакия) Следует отметить, что на изменение интенсивности гаммаизлучения сильное влияние оказывает трещиноватость массива. С целью повышения точности измерений следует проводить предварительную оценку нарушенности массива.

Одним из достоинств гамма-метода является его малая чувствительность к изменению влажности. Поправка на влажность определяется по формуле (4.12) где – влажность, равная отношению веса воды к весу сухого скелета, %.

Из формулы (4.12) легко определить, что при увеличении влажности на 10% поправка k примет значение 0,999, что отличается от исходного значений на 0,001.

Итак, гамма-метод позволяет производить оценку напряженнодеформированного состояния массива горных пород, изменяющегося под воздействием различных технологических процессов, а также определять размеры зоны нарушенных пород вокруг горной выработки.

Электрометрический метод оценки напряженнодеформированного состояния массива горных пород В основе электрометрического метода оценки напряжений в массиве лежит взаимосвязь давления и электрического сопротивления горных пород [47,48,49,50].

свойствам можно разделить на три следующие группы: диэлектрики, проводники и полупровеодники.

В диэлектриках бльшая часть заряженных частиц находится в связанном состоянии. Именно к ним отностятся практически все горные породы.

Проводники характеризуются свободными электронами, легко богатонасыщенные металлические руды проявляют свойства проводников.

заряженных частиц, при этом внешнее электромагнитное или тепловое воздействие может значительно увеличить количество носителей электрического заряда. К полупроводникам относяться некоторые рудные минералы.

Большинство горных пород, являющихся, как указано выше, диэлектриками, имеет электролитическую природу проводимости.

Другими словами, ток в этих породах проводят насыщающие их флюиды – растворы минеральных солей, щелочей и кислот. Таким образом, проводимость таких пород в значительной степени зависит от их трещиноватости и пористости, а также наполненности их различными флюидами.

электрическое сопротивление, определяемое формулой где RV – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м2; h – толщина образца, м; V – удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление зависит от состава пород и минералов и варьируется в широких пределах. Так, для магнетитов, являющихся проводниками, V 10-5 Ом·м, а для некоторых слюд, проявляющих диэлектрические свойства, V Ом·м.

Для решения задач определения напряженного состояния массива важным является тот факт, что изменения величины удельного сопротивления с ростом давления в различных породах могут носить различный характер. Например, для пород с высоким содержанием флюида повышение давления приводит к закрытию пор и трещин, что вызывает рост V [51]. С другой стороны, для малопористых пород с низким содержанием влаги повышение давления приводит к уменьшению расстояния между токопроводящими элементами, что, в свою очередь, приводит к уменьшению удельного сопротивления [52].

Все вышесказанное обусловливает необходимость предварять натурные измерения лабораторными испытаниями образцов горных пород, в ходе которых определяется зависимость влияния давления на изменение V. В ходе таких испытаний образцы горных пород подвергают одноосному или объемному нагружению до величин напряжений ~ 100 МПа с одновременной регистрацией удельного сопротивления. Наличие четко выраженной взаимосвязи наряжений с V может служить основанием для проведения натурных измерений.

Натурные измерения по временному параметру подразделяются на периодические и непрерывные. В ходе измерений удельного сопротивления горных пород применяют двух- и четырехэлектродные схемы на постоянном или переменном токе.

Двухэлектродные измерения, требующие бурения параллельных шпуров, чаще всего используются для оценки деформаций целиков, зон наибольшей концентрации напряжений, а также для контроля напряженно-деформированного состояния особо опасных участков ведения горных работ.

Суть двухэлектродных измерений сводится к следующему. На определенном участке массива бурятся параллельные шпуры, в которых размещают электроды. При этом большое влияние на точность измерений оказывает качество контакта электрод-порода.

Ввиду низкой повторяемости результатов при передвижении электродов по шпуру наибольшая точность достигается при стационарных измерениях на заданных глубинах. Для повышения точности измерений с использованием скважинных электрических датчиков в качестве материалов для электродов часто используют специальную электропроводную резину. Измерения с помощью таких датчиков позволяют получить детальную картину распределения V между шпурами, но при этом точность таких измерений оказывается довольно низкой.

Более удобной для натурных измерений можно считать четырехэлектродную схему. В ней используюется пара питающих электродов АВ и пара измерительных электродов MN. При использовании четырехэлектродной схемы отпадает необходимость бурения измерительных шпуров, а глубинность измерений определяется расстоянием между питающими электродами АВ. Схема четырехэлектродных измерений представлена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема подземного электрического зондирования При изучении распределения напряжений в массиве горных пород применяют метод подземного электрического зондирования (ПЭЗ) и метод электрического профилирования.

В методе ПЭЗ измерительные электроды MN оставляют неподвижными, а питающие электроды АВ постепенно разносят, рассчитывая при этом кажущееся электрическое сопротивление по формуле где U – разность потенциалов между измерительными электродами MN; I – сила тока питающих электродов АВ; k – коэффициент установки, определяемый расстоянием между питающими и измерительными электродами.

По результатам измерений строят зависимости распределения рассчитанных значений k от расстояния между АВ, характеризующие изменение V с глубиной.

Для определения динамики напряженно-деформированного состояния массива необходимо производить многократные измерения.

В отличие от ПЭЗ в методе электропрофилирования расстояние между электродами остается неизменным, при этом все электроды перемещаются вдоль профиля с фиксированным шагом.

Электропрофилирование обладает фиксированной глубинностью и дает представление о распределении напряжений вдоль горной выработки или скважины.

Выбор постоянного или переменного тока при электрическом зондировании и профилировании обусловливается различными технологическими параметрами, а также наличием электрических помех различной природы.

Наибольшее применение получили методы ПЭЗ и профилирования на постоянном или переменном низкочастотном токе.

Следует отметить, что электрометрические методы дают в основном качественную информацию о распределении напряжений в массиве и не предназначены для определения их абсолютных значений.

4.4. Звукометрический метод оценки напряженного состояния массива горных пород Как известно, горные породы, слагающие массив, обладают высокой степенью вещественной и структурной неоднородности.

Обусловленная различным минеральным составом, трещиноватостью и пористостью, такая неоднородность приводит к возникновению микроразрушений при напряжениях, значительно меньших, чем напряжения разрушения. Образование миктротрещин как правило сопровождается возникновением акустических импульсов, распространяющихся в толще массива. Интенсивность таких импульсов характеризует масштабы деформаций массива под дейтсвием естественного поля напряжений. При этом на интенсивность акустических событий также влияет минеральный и структурный состав пород.

Звукометрический метод основан на измерении активности акустических импульсов, возникающих при изменении напряженнодеформированного состояния в определенной области массива [53,54].

Экспериментальные исследования показали, что наибольшая интенсивность акустических сигналов соответствует промежутку давлений от 30 до 60% от разрушающих. При этом процесс изменения давления оказывает бльшее влияние на интенсивность акустических импульсов, чем абсолютное значение этого давления. Это создает предпосылки к использованию звукометрического метода для оценки динамики напряженно-деформированного состояния массива во времени.

Большое влияние на интенсивность акустических импульсов оказывает трещиноватость. При этом с увеличением трещиноватости возрастает и интенсивность акустических событий. Наличие априорной информации о степени нарушенности массива влияет на точность и эффективность интерпретации измерений.

Натурным измерениям обычно предшествуют лабораторные испытания образцов горных пород, в процессе которых выявляется акустических импульсов. При этом доказано, что масштабный фактор практически не оказывает влияния на интенсивность акустических событий [55].

С целью повышения точности измерений помимо активности акустических импульсов обычно регистрируют такие параметры, как энергия импульсов, их спектральный состав и статистические характеристики. Такие дополнительные параметры позволяют при натурных измерениях определять характер изменения напряжений в массиве.

Натурные измерения можно разделить на две основные группы:

профилактические и систематические, т.е. проводящиеся в режиме непрерывного мониторинга.

окрестностях различных горных выработок. При этом в основном производится исключительно на основе степени активности акустических импульсов, установленной для каждого типа пород по результатам лабораторных испытаний.

стационарной аппаратуры на определенном участке массива горных регистрировать динамику напряженно-деформированного состояния массива, оценивать его устойчивость и удароопасность.

отдельное внимание необходимо уделять качеству установки и эксплуатации звукометрической аппаратуры. Установка скважинных геофонов должна производится вдали от зоны нарушенных пород, специальных пробок, все комуникационные кабели должны быть соответствующим образом экранированы.

напряженного состояния массива горных пород и не позволяют определять абсолютные значения и направления действия главных напряжений. К основным достоинствам метода можно отнести малую мониторинговом режиме.

5. МЕТОД ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

МАССИВА НА ОСНОВЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО

ЭФФЕКТА ПАМЯТИ В ИЗВЛЕЧЕННЫХ ИЗ НЕГО

ОБРАЗЦАХ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Физические основы и область применения метода Оценки вида напряженного состояния, направлений и величин главных напряжений, действующих в массиве, могут быть получены на базе использования свойства памяти горных пород, т.е. их способности запоминать, хранить и воспроизводить информацию об испытанных напряжениях. Конкретные проявления этого свойства получили название эффектов памяти. Одним из таких эффектов, наиболее перспективных для исследования напряжений, является акустикоэмиссионный эффект памяти [56,57,58,59,60,61]. Он заключается в невоспроизводимости параметров акустической эмиссии (АЭ) в процессе нагружения при напряжениях, меньших максимально достигнутого ранее значения напряжения и иллюстрируется зависимостью, представленной на рис. 5.1.

В ряде случаев для более однозначной интерпретации результатов контроля напряжений на основе акустико-эмиссионного эффекта памяти совместно с ним используется деформационный эффект памяти. В общем случае этот эффект заключается в ряде характерных изменений деформационных свойств и параметров деформирования при нагрузке, достигнувшей максимального значения, действовавшего в предшествующем цикле.

Рис. 5.1. Проявление эффекта памяти на примере зависимости суммы импульсов АЭ N от нагрузки (* - уровень максимальных напряжений предшествующего цикла нагружения) Наглядным примером такого эффекта может служить график зависимости «напряжение - деформация», полученный при двухцикловом нагружении образца. Указанная зависимость представлена на рис.

5.2. Нагружение образца в установочном цикле характеризуется кривой ОАС. При тестовом цикле нагружения график деформации состоит из двух частей. При более низких напряжениях, чем максимальные напряжения установочного цикла, порода деформируется практически линейно (участок CDA), а при более высоких напряжениях, чем запомненное (*), порода деформируется по кривой, являющейся продолжением кривой установочного цикла (участок АЕ).

В основе метода акустико-эмиссионной памяти (МАЭП) лежат следующие физические закономерности, установленные в ходе экспериментальных и теоретических исследований в хрупких и пластичных горных породах [62]:

1. В условиях сложного напряженного состояния память в пластичных породах формируется, если максимальное главное сжимающее напряжение 1 превышает предел упругости, соответствующий данным значениям 2, 3. Память в хрупких породах формируется, если величина 1 превышает значение 1, при котором происходит отклонение от линейности кривой 3 f 1 при деформировании породы в условиях действия данных 2, 3.

Рис. 5.2. Зависимость напряжения от продольной деформации при циклическом одноосном нагружении пластичной горной породы Кроме того, вторым необходимым условием формирования памяти как в пластичных, так и в хрупких породах является превышение величиной 1 порогового уровня 1th k 1 3, где k - безразмерный коэффициент, характерный для данной горной породы. Например, для каменной соли k 0,5 0,7 ; для гранита k 2,8 3, 4. Величина k может быть получена путем постановки серии специальных лабораторных экспериментов.

В пластичных породах величина 1th меньше предела упругости, поэтому достаточным условием формирования памяти является превышение напряжением 1 предела упругости, соответствующего данным 2, 3.

Отсутствие памяти в данной породе свидетельствует о невыполнении рассмотренных условий формирования памяти.

При одноосном сжатии породы, ранее испытавшей трехосное нагружение, эффекты памяти имеют место при отклонении оси одноосного сжатия от направления максимального действовавшего ранее главного напряжения 1 не более чем на 5о-10о.

Это обстоятельство лежит в основе определения направления in situ по результатам лабораторных испытаний серии образцов, ориентированных в различных направлениях.

При обобщенном растяжении ( 3 < 1 = 2, все напряжения - сжимающие) горной породы, испытавшей ранее трехосное неравнокомпонентное нагружение (1 > 2 > 3 > 0), эффекты памяти имеют место при отклонении осей 3 в двух рассматриваемых циклах нагружения не более чем на 5-10. Это обстоятельство лежит в основе определения направления 3 in situ по результатам лабораторных испытаний образцов, ориентированных в различных направлениях.

Если при обобщенном растяжении породы, ранее (в I цикле) находившейся в условиях трехосного нагружения, эффект памяти проявляется одинаково хорошо во всех направлениях, перпендикулярных оси 1 цикла, то это означает, что напряженное состояние в I цикле было осесимметричным.

Это обстоятельство лежит в основе диагностики типа трехосного напряженного состояния in situ по результатам лабораторных испытаний образцов, ориентированных в различных направлениях.

При трехосном осесимметричном пропорциональном нагружении (1 > 2 = 3, 1/3 = const) горной породы, испытавшей ранее (в I цикле) трехосное осесимметричное напряженное состояние, наиболее четкие эффекты памяти имеют место при совпадении отношений 1 / 3 в I цикле и в тестовом нагружении. При этом значения 1, 3, при которых отмечаются эффекты памяти в тестовом цикле, равны соответствующим значениям (в I цикле).

Это обстоятельство лежит в основе измерения отношений и величин главных напряжений in situ по результатам лабораторных испытаний образцов, ориентированных в направлении действия 1 в массиве, с различными значениями отношения 1/3 в лабораторном нагружении.

При одноосном нагружении горной породы, испытавшей (в I цикле) трехосное осесимметричное сжатие (1 > 2 = 3 > 0), эффекты памяти имеют место при достижении величиной одноосного сжимающего напряжения значения 1 – (k+1) 3, действовавшего в I цикле (тестовое одноосное нагружение проводится в направлении (в I цикле).

Это обстоятельство лежит в основе определения максимального главного напряжения 1 in situ при известном минимальном напряжении 3.

При осесимметричном тестовом нагружении породы (1 > 2 = 3), в условиях постоянного значения 3 и монотонно возрастающей разности главных напряжений (1- 3), при условии равенства значений 3 в тестовом нагружении и в I цикле, также проводившемся в условиях осесимметричного сжатия, эффекты памяти имеют место при достижении напряжением 1 в тестовом цикле значения 1 испытанного в I цикле. При этом четкость эффектов памяти сопоставима с их четкостью при циклическом сжатии породы.

Это обстоятельство лежит в основе определения величины 1 in situ при условии, если напряженное состояние массива - осесимметричное и величина 3 in situ заранее известна (измерена каким-либо другим методом или рассчитана).

Для надежной диагностики эффектов памяти при лабораторных испытаниях извлеченных из массива образцов горных пород необходимо использовать не только данные измерений параметров акустической эмиссии (АЭ), но и кривые деформирования, в первую очередь графики «поперечная деформация - напряжение», «объемная деформация - напряжение» и «дифференциальный коэффициент поперечных деформаций 3/1 - напряжение».

МАЭП может использоваться для определения типа напряженного состояния, направлений и величин главных напряжений как при исследованиях естественных полей напряжений в земной коре, так и при измерении напряжений в окрестностях горных выработок. Возможность определения направлений всех трех главных напряжений на основе эффектов памяти не требует предварительного точного знания информации об ориентировании главных осей тензора напряжений в массиве, однако ориентировочное представление о направлении одного из главных напряжений (например, 1) существенно упрощает процедуры, поскольку уменьшает необходимое количество образцов.

МАЭП обеспечивает точное определение направлений всех трех главных напряжений in situ (погрешность ±2,5°); определение вида напряженного состояния массива (трехосное осесимметричное или трехосное неравнокомпонентное) и, в случае осесимметричного напряженного состояния массива, определение значений обоих неизвестных главных напряжений 1 и 3. Он применим как к пластичным, так и к хрупким породам. Однако интерпретация результатов некоторых экспериментов требует знания коэффициента k, уникального для каждой породы. Для каменной соли, как уже указывалось, k = 0,5 0,7, для гранита - около 3,0. Для других пород k может быть определен путем постановки серии предварительных опытов.

5.2. Требования к образцам, извлеченным из массива и используемым для определения параметров его НДС с использованием метода акустико-эмиссионной памяти Образцы в виде цилиндров должны иметь отношение высоты к диаметру h/d = 2,0 3,0 и изготовляться из кернов, выбуренных из массива в соответствующих направлениях. Рекомендуется использовать только неповрежденные участки кернов, без видимых макротрещин, пропластов и крупных зерен (монокристаллов). Следует по возможности стремиться к тому, чтобы диаметр образца не менее чем в 10 раз, превосходил размер максимального видимого зерна.

Извлеченные из массива керны должны быть запарафинированы для предохранения их от изменений влажности. Керны, используемые для изготовления образцов, следует, по возможности, предохранять от ударов и вибраций. Изготовление образцов и проведение испытаний следует проводить в кратчайшие сроки с момента извлечения керна из скважины. Требования к геометрическим допускам при изготовлении образцов аналогичны принятым при обычных механических испытаниях горных пород на сжатие.

Количество образцов определяется конкретной задачей контроля НДС. Так, для определения величины 1 при известном значении 1 = 3 в массиве достаточно одного - двух образцов. Для определения неизвестного направления 1 может понадобиться количество образцов, измеряемое сотнями.

5.3. Оборудование для определения параметров НДС массива на основе метода акустико-эмиссионной памяти Для проведения испытаний следует использовать пресс, обеспечивающий постоянную скорость деформирования образца и максимальную нагрузку, не меньше предела прочности образцов данной породы на сжатие.

Трехосное осесимметричное нагружение в режиме обобщенного сжатия (1 > 2 = 3 > 0, схема Кармана) или обобщенного растяжения (3 < 2 = 1; 2, 3 >0, схема Беккера) следует проводить в камере трехосного сжатия. Измерительный комплекс должен обеспечивать возможность непрерывной регистрации осевой нагрузки, бокового давления (при проведении испытаний в камере), осевой и боковых деформаций и активности АЭ.

Для снижения эффектов непараллельности торцов образца рекомендуется использовать сферическую опору. Для уменьшения трения - смазку (литол или подобную) или тефлоновые прокладки, для снижения эффекта «вдавливания штампа» нагружение образца следует проводить между цилиндрическими стальными пуансонами, имеющими диаметр, равный диаметру образца до деформирования. Для предохранения образца от проникновения масла в поровое пространство при испытаниях в камере образец следует помещать в непроницаемую резиновую оболочку.

Настройки аппаратуры АЭ должны обеспечивать возможность регистрации достаточного количества импульсов, не пропуская лабораторные помехи и шумы пресса. Зарегистрированные помехи должны удаляться вручную при последующей обработке.

5.4. Определение направления действия максимального главного напряжения 1 в массиве При наличии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации напряжения 1 in situ следует изготовить серию образцов, ориентированных в различных направлениях, группирующихся вокруг предполагаемого направления 1 с шагом не более 5°. Далее проводится одноосное нагружение каждого образца до разрушения. Образец, в котором четко проявляются деформационные и акустико-эмиссионные эффекты памяти, соответствует направлению действия 1 in situ. Акустико-эмиссионный эффект памяти при этом проявляется в виде максимума кривой «активность АЭ - напряжение». Пример такой зависимости приведен на рис. 5.3.

Для надежной диагностики эффектов памяти в пластичных горных породах необходимо обязательно использовать не только данные измерений АЭ, но и деформационные кривые.

Рис. 5.3. Зависимость «суммарная АЭ N – напряжение 1» при одноосном сжатии образца 5П-205.1, выполненном через 40 ч после его извлечения из массива При отсутствии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации 1 in situ (например, в зонах развития интенсивных процессов складкообразования и разрывной тектоники) использование метода возможно, однако требует изготовления сотен образцов, ориентированных в различных направлениях и с шагом не более 5о.

При отсутствии эффектов памяти при одноосном сжатии во всех направлениях следует сделать вывод о том, что в процессе нагружения в массиве память не была сформирована. Для пластичных пород это означает, что величина 1 не превышала предел упругости, соответствующий данному значению 3 in situ.

5.5. Определение направлений действия минимального 3 и промежуточного 2 главных напряжений в массиве При наличии предварительной информации о приблизительной предполагаемой ориентации напряжений 3 in situ следует изготовить серию образцов, ориентированных в различных направлениях, группирующихся вокруг предполагаемого направления 3 с шагом не более 5о. Далее проводится нагружение каждого образца в режиме обобщенного растяжения (схема Беккера: увеличения 1 = 2; 3 = 0 и приложено в направлении оси образца). Образец, в котором в процессе обобщенного растяжения наиболее четко проявляются эффекты памяти, соответствует направлению 3 in situ.