Лекція №3 «методи дослідження напруженого стану масиву гірських порід»

Методи дослідження напруженого стану масиву гірських порід у порівнянні з іншими характеристиками масиву – властивостями й структурними особливостями – мають деяку специфіку.

Насамперед, це проявляється в тім, що напруги не є, загалом кажучи, фізичною величиною. Це деяка математична абстракція, що безпосередньо обмірювана бути не може. Напруги завжди визначаються або обчислюються за результатами виміру деформацій або яких-небудь інших параметрів, кореляційно пов'язаних з напругами.

Другий специфічний момент полягає в тім, що в таких дослідженнях досить істотного значення набувають різного роду оцінні методи, за допомогою яких спочатку встановлюється вид напруженого стану, основні співвідношення між компонентами загального тензора напруг і тільки після цього виконуються роботи з безпосереднього виміру абсолютних значень напруг.

Методи виміру статичних напруг

Способи визначення природних напруг у масиві гірських порід, на околицях виробітків, у ціликах і т.д. по фізичних принципах, покладеним у їхню основу, можна підрозділити на кілька груп.

 Першу групу становлять способи, суть яких – оцінка параметрів різних технологічних процесів гірничого виробництва, що змінюються залежно від ступеня природної напруженості масиву. До цієї групи ставляться способи, засновані на визначенні зусилля подачі бурового інструмента на вибій шпари, відсотка виходу й фракційного состава штибу й бурового дріб'язку, ступеня виходу й виду руйнування керна свердловин, форми й розмірів перетинів свердловин, камуфлітних порожнин при вибуху зарядів постійної потужності, гірничих виробок, а також методи, деякою мірою моделюючі зазначені процеси (вдавлення штампа у вибій або стінки шпари, застосування спеціальних міцністномерів й ін.).

 До другої групи ставляться деформаційні способи, в основі яких лежить вимір деформацій порід з наступним обчисленням діючих напруг.

Найпоширенішим деформаційним способом визначення абсолютних значень напруг є метод розвантаження. Він заснований на вимірі пружних деформацій відновлення при відділенні деякого елемента від породного масиву й розвантаженню його від напруг, що діяли в ньому. По обмірюваних деформаціях, знаючи пружні константи порід (модуль поздовжньої пружності Е и коефіцієнт поперечних деформацій μ, обчислюють напруги, що діяли в масиві, використовуючи математичний апарат теорії пружності.

Застосовують метод у двох основних варіантах: у варіанті торцевих вимірів; у варіанті співвісних шпар.

Варіант торцевих вимірів

Варіант торцевих вимірів отримав найбільшого застосування, для умов скельних порід. Були розроблені й серійно випускалися уніфіковані комплекти вимірювальних апаратури й устаткування.

Тензометричний датчик (від лат. tensus — напружений) (тензодатчик) — це прилад для виміру деформації різних конструкцій. Існує безліч способів виміру деформацій: тензорезистивний, оптико-поляризаційний, волоконно-оптичний, або простим зчитуванням показань із лінійки механічного тензодатчика (рис. 6). Серед електронних тензодатчиків, найбільше поширення одержали тензорезистивні датчики.

Рис. 6 - Найпростіший вид механічного тензодатчика з лінійкою.

Тензорезистивний датчик звичайно являє собою спеціальну пружну конструкцію із закріпленим на ній тензорезистором і іншими допоміжними деталями. Після калібрування, по зміні опору тензорезистора можна обчислити ступінь деформації, яка буде пропорційна силі, прикладеної до конструкції.

Вивчення напружно-деформованого стану породного масиву в околиці виробки роблять, звичайно, користуючись методом розвантаження керна в шпарі.

Комплекс досліджень складається з декількох етапів:

• буравлення шпари на задану глибину;

• установка на її торці тензометричних приладів і зняття початкових показань;

• виконання заходів щодо зняття напруг у торці шпари;

• реєстрація показань тензометричних приладів;

• відділення керна для наступного визначення в лабораторії пружних характеристик;

• розрахунок напруг, що діють у масиві.

Відомі два варіанти вимірів напруг по методу повного розвантаження керна в шпарі:

• метод розвантаження торця шпари за схемою ВНДМІ;

• метод розвантаження керна із центральною шпарою.

По першому варіанті напруги визначають на основі виміру деформації пружного відновлення торця шпари при вибурюванні керна (рис. 7).

Рисунок 7 - Схема виміру напруг по методу розвантаження керна за допомогою кільцевої щілини: 1 - шпара; 2 - тензодатчики; 3 - керн; 4 - кільцева щілина.

Варіант співвісних шпар (рис. 8) відрізняється від описаного тем, що бурять випереджальну центральну шпару малого діаметра (близько 40 мм). У ній установлюють деформометри (схема Н. Хаста) або на її стінки за допомогою спеціальних пристосувань наклеюють тензодатчики (схема Е. Лиману).

Рисунок 8 - Схема наклейки електротензометричних датчиків на стінки шпари малого діаметра при вимірах напруг у масиві порід методом розвантаження у варіанті співвісних шпар (схема Е. Лиману).

а - розташування вимірювальної й розвантажувальної шпар у масиві;

б - розміщення розеток тензодатчиків на стінках шпари малого діаметру; в - розташування датчиків у розетці. 1- шпара діаметром 110-120 мм або більше; 2 - вимірювальна шпара діаметром 40 мм.

У першому випадку фіксують зміну діаметру центральної шпари по різних напрямках. При цьому для переходу від обмірюваних переміщень (змін діаметрів центральної шпари) до напруг використовують дані лабораторної градуювання датчиків деформометру в спеціально вирізаних породних призмах з модулем пружності, рівним модулю пружності досліджуваного масиву.

У другому випадку, при розташуванні датчиків за схемою, напруги обчислюють за результатами виміру деформацій ε₁, ε₂, ε_3.

де Е, Q й — відповідно модуль пружності, модуль зрушення й коефіцієнт поперечних деформацій порід досліджуваного масиву.

Вимір деформацій і напруг на поверхні гірничих виробок.

Відомі три найпоширеніші методи визначення напруг на поверхні гірничих виробок:

• метод повного розвантаження;

• метод часткового розвантаження;

• метод компенсаційного розвантаження.

Метод повного розвантаження (рис. 9) заснований на вимірі деформацій, що виникають при повнім знятті напруг на певній ділянці поверхні масиву шляхом створення чотирьох щілин (врубів). При цьому покладається, що до розвантаження породний масив перебував у пружному стані й пластичній складовій деформацій відсутній.

Рисунок 9 – Схема установки тензометричних датчиків при вимірах напруг у масиві порід методом повного розвантаження.

У припущенні, що зв'язок між напругами й деформаціями лінійна й відомі напрямки дії головних напруг (наприклад, горизонтальне й вертикальне), для плоского напруженого стану мають місце наступні залежності:

де Ɛ₁, Ɛ₂ – обмірювані головні деформації;

– обчислені значення головних напруг;

E й – відповідно модуль пружності й коефіцієнт Пуассона гірських порід у місці вимірів.

Метод часткового розвантаження (рис. 10) заснований на вимірі деформацій в околиці шпари невеликого (30–60 мм) діаметру, пробуреної в центрі досліджуваної ділянки поверхні виробки.

Рисунок 10 - Схема виміру деформацій на поверхні виробок по методу часткового розвантаження: 1 - шпур; 2 - тензометричний прилад; 3 - розвантажувальна шпара.

У цьому випадку на поверхні виробітку у вершинах рівностороннього трикутника бурять шпури, у які на цементно-піщаному розчині поміщають анкери 1. Межу анкерами встановлюють тензометричні прилади 2. У центрі трикутника бурять розвантажувальну шпару 3, глибина якої повинна забезпечити стабільні показання приладів. Шпара забезпечує часткове розвантаження масиву, що дає можливість виміряти деформації й по спеціальних формулах розрахувати величину й напрямок головних напруг у місці вимірів. Шпури розташовують на відстані 2–3 діаметрів шпари від її центра.

Метод компенсаційного розвантаження (рис. 11) є різновидом розглянутого вище методу розвантаження. Він заснований на визначенні напруг при відновленні пружної деформації, що виникає при розвантаженні, що компенсуються шляхом напруги розвантаженої частини масиву до свого первісного напруженого стану. При цьому немає необхідності визначати пружні характеристики порід.

Сутність вимірів напруг по даному методі полягає в наступному.

Рисунок 11 - Схема виміру напруг по методу компенсаційного навантаження: 1 - тензодатчики; 2 - розвантажена зона порід; 3 – гідроподушка; 4 - цемент; 5 - манометр; 6 - ручний гідронасос.

На оголеній поверхні площею до 1–2 м² установлюють кілька тензометричних датчиків, розташованих на такій відстані друг від друга, щоб була можливість незалежно реєструвати можливі деформації масиву в різних напрямках. Після зняття початкових показань із датчиків, у масиві створюють горизонтальні щілини-вруби, а потім і вертикальні, або одночасно ті й інші, які частково розвантажують породний масив. дії, Що Перебувають у межах, розвантаження датчики реєструють певні деформації. Потім у щілину (або в щілині) установлюють навантажувальний пристрій, що забезпечує відновлення первісного напруженого стану ділянки масиву. Як навантажувальний пристрій звичайно використають гідравлічні подушки. Гідравлічна подушка являє собою металеву коробку, зв'язану через гідросистему з гідронасосом

Звичайно гідравлічні подушки мають розміри від 300х300х30 мм до 600×600×60 мм. Максимальний тиск, створюваний цими пристроями, становить 50–70 МПа. Знаючи величину навантаження й площа її додатку, обчислюють значення напруги, що діє в масиві перпендикулярно розвантажувальної щілини.

Електрометричний метод (рис. 12) виміру напруг у масиві заснований на взаємозв'язку питомого електричного опору порід з величиною напруг. На основі цього взаємозв'язку конструюють каротажні снаряди, які при переміщенні по шпарі дозволяють вимірювати електричний опір порід і по опорі оцінювати напружений стан.

Рисунок 12 - Оцінка напруг у гірському масиві по електрометричному методі.

Серед геофізичних способів найбільше повно розроблений імпульсний сейсмічний (ультразвуковий) метод визначення напруг. Він заснований на взаємозв'язку з напруженим станом гірських порід сейсмічних характеристик — швидкості й загасання пружних хвиль, порушуваних у масиві. Для кількісної оцінки напруг у породному масиві використають ефект швидкісної анізотропії порід при їх навантаженні.

Сутність цього ефекту полягає в тому, що для багатьох порід зі зростанням тиску збільшується швидкість поздовжніх пружних хвиль. При цьому ріст швидкості відбувається по тім же напрямку, що й збільшення навантаження, тоді як в інших напрямках ці зміни незначні.

Для різних порід ріст швидкостей поздовжніх хвиль зі збільшенням тиску неоднаковий: від декількох відсотків до 50 % і більше. Ріст швидкостей починається відразу ж зі збільшенням тиску й припиняється при напругах, що становлять для різних порід 30–70 % руйнівного напруження стиску. При нерівномірному навантаженні, тобто коли напруги по одному з напрямків перевищують такі по інших напрямках, у масиві порід з'являється швидкісна анізотропія.

Для імпульсних сейсмічних (ультразвукових) вимірів у межах досліджуваного масиву вибирають характерні місця, де обладнають спостережливі станції, що складаються зі шпурів або шпар у стінках і покрівлі виробок (мінімум по трьох шпари в трьох взаємно перпендикулярних напрямках) (мал. 13).

Рисунок 13 – Типові схеми спостережливих станцій для ультразвукових вимірів; а - тупикова виробка; б - дві взаємно пересічні виробки. 1 – гірничі виробки у плані; 2 - шпари в стінці у напрямку, паралельному передбачуваному напрямку напруги σ₁; 3 - шпари в стінці в напрямку, перпендикулярному до передбачуваного напрямку напруги σ₁; 4 - шпари в покрівлі.

Для вимірів використається сейсмоакустичну апаратуру у вибухонебезпечному виконанні типу ЗУА – 3.

Звукометричний метод складається в реєстрації кількості звукових сигналів, що виникають у напруженому масиві внаслідок мікроруйнувань.

При збільшенні напруг у цілині або іншій частині масиву інтенсивність мікроруйнувань зростає, що й фіксується приладами. При певній кількості в одиницю часу мікроруйнування є як би сигналами обвалення масиву порід, руйнування целіків і т.п. Це дозволяє ужити заходів, що забезпечують безпечне ведення гірських робіт.

Виміру напруг у стінках гірничих виробок і целіків, проведені багатьма дослідниками методом розвантаження, підтвердили в основному ті характеристики поля напруг навколо виробітків, які отримані розрахунковим методом і на фотопружних моделях.

Зокрема, у боках виробки спостерігалася концентрація напруг, максимальне значення коефіцієнту концентрації напруг становило 2-2,5. Поряд із цим на деяких родовищах був виявлений принципово інший характер напруженого стану, коли горизонтальні напруги перевищують, іноді в кілька разів, вертикальні напруги. Таке явище пов'язане з тектонічними напругами.

Радіометричний метод визначення напруг, пов'язаний з наведенням у досліджуваній ділянці масиву радіаційного поля. Метод заснований на ефекті різного поглинання радіоактивних випромінювань породами залежно від їхньої щільності. З ростом стискаючих напруг щільність порід, особливо порівняно малощільних, істотно зростає. При гамма-гамма-каротажі відповідних ділянок масиву з ростом діючих стискаючих напруг частота імпульсів зменшується. Цей ефект використають для оцінки напруг у вугільному масиві й породах вугленосних товщ. Але він може дати досить надійні результати й для досить щільних скельних порід, таких як граніти, діабази й ін., для яких абсолютні зміни щільності з ростом всебічного тиску звичайно не перевищують 1%.

Магнітний метод визначення напруг базується на слабких феромагнітних властивостях і позитивній магнітострикції ряду гірських порід. У таких породах зі зміною напруг міняється магнітна сприйнятливість. Ці зміни й підлягають виміру для оцінки змін напруженого стану.