книги / Основы механики горных пород

или шпура и фиксация трещин с помощью оптических прибо­ ров могут проводиться максимально до глубины 15—20 м.

При необходимости проведения наблюдений на больших глубинах целесообразно применять скважинные телевизионные установки. Одна из них, разработанная Томским институтом автоматизированных систем управления и радиоэлектроники совместно с Институтом проблем комплексного освоения недр АН СССР (ИПКОН), показана на рис. 32 [118]. Установка по­ зволяет производить наблюдения в скважинах диаметром 100— 200 мм на любой глубине (ограничение длиной кабеля). Пре­ дусмотрена возможность в случае необходимости фотографи­ ровать изображения с экрана. Благодаря наличию вращаю­ щейся оптической системы передающая камера позволяет по­ лучать круговой обзор стенок скважин.

§ 26. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИИ

Способы определения естественных напряжений в мас­ сиве горных пород, в окрестностях выработок, в целиках и т. д. по физическим принципам, на которых они основаны, можно

в зависимости от степени естественной напряженности мас­ сива. К этой группе относятся способы, основанные на опре­ делении усилия подачи бурового инструмента на забой сква­ жины, процента выхода и фракционного состава штыба и буровой мелочи, степени выхода и вида разрушения керна бу­ ровых скважин, формы и размеров камуфлетных полостей при взрыве зарядов постоянной мощности, а также методы, в опре­ деленной степени моделирующие указанные процессы (вдав­ ливание штампа в забой или стенки скважины, с применением специальных прочностномеров и пр.) [48].

с последующим вычислением действующих напряжений. Наиболее распространенным деформационным способом оп­

ределения абсолютных значений напряжений является метод разгрузки. Он основам на измерении упругих деформаций не­ которого элемента породного массива при разгрузке этого элемента от действовавших в нем напряжений и упругом вос­ становлении им первоначальных (не измененных напряже­ ниями) формы и размеров. По измеренным деформациям, зная упругие константы пород (модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций v), вычисляют действую­ щие напряжения, используя математический аппарат теории

Используя формулы теории упругости, связывающие измерен­ ные деформации и соответствующие им напряжения, опреде­ ляют главные напряжения в плоскости торца скважины. Соот­

выбранной точке массива. Продолжая бурение скважины и по­ вторяя аналогичные измерения в других намеченных точках, получают серию измерений, которые подвергают затем мате­

Е.Лимана [177]).

Впервом случае фиксируют изменение диаметра централь­ ной скважины по различным направлениям. При этом для пе­ рехода от измеренных перемещений (изменений диаметров центральной скважины) к напряжениям используют данные лабораторной градуировки датчиков деформометра в специ­

ально вырезанных породных призмах с модулем упругости, равным модулю упругости исследуемого массива.

Во втором случае, при расположении датчиков по схеме, приведенной на рис. 34, напряжения по результатам измерения деформаций g), гг, ез вычисляют по формулам

£

Tga = G(KJ -j- E2— 2e3),

где E, G и v — соответственно модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент поперечных деформаций пород исследуемого массива.

В случаях, когда в напряженных породных массивах при разгрузке наряду с мгновенными упругими деформациями про­ являются деформации упругого последействия, вычисленные напряжения будут отличаться в большую сторону по сравне­ нию с фактическими, например в аргиллитах эта разница мо­ жет достигать 17%. При определении напряжений в таких по-

Рис. 34. Схема наклейки электротензометрических датчиков на стенки сква­ жины малого диаметра при измерениях напряжений в массиве пород мето­ дом разгрузки в варианте соосных скважин (схема Е. Лимана).

родах с использованием формул теории упругости в результаты измерений вводят поправки либо применяют формулы, непо­ средственно учитывающие неупругие свойства пород, устанав­ ливаемые по данным лабораторных испытаний.

При измерениях в относительно слабых и хрупких породах, например в каменном угле, иногда бывает трудно обеспечить целостность обуриваемого керна. В таких случаях размеры разгружаемого элемента обычно увеличивают либо применяют другие способы измерений [69].

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

в процессе нагнетания жидкости в скважину по показаниям манометра определяются атах и Стпъ их направление в мас­ сиве может быть установлено по ориентации в пространстве трещины растяжения, которая всегда нормальна к направле­ нию действия (7min.

Модификацией данного способа является использование гидравлических датчиков конструкции ИГД Сибирского отде­ ления АН СССР в качестве дилатометров. В этом случае про­ странственная ориентация трещины растяжения может быть зафиксирована по следу на резиновой оболочке датчика [116].

рые основаны иа взаимосвязи с естественным напряженным состоянием параметров различных искусственно наводимых физических полей. Геофизические способы отличаются, как правило, высокой мобильностью и производительностью. Кроме того, параметры напряженного состояния, получаемые этими методами, обычно характеризуют существенно большие объ­ емы массива по сравнению с методами других групп.

Среди геофизических способов наиболее полно разработан

импульсный сейсмический (ультразвуковой) метод определения напряжений. Он основан иа взаимосвязи с напряженным со­ стоянием горных пород сейсмических характеристик — скорости и затухания упругих волн, возбуждаемых в массиве. Для ко­ личественной оценки напряжений в породном массиве исполь­ зуют эффект скоростной анизотропии пород при их нагруже­ нии. Сущность этого эффекта состоит в том, что для многих пород с возрастанием давления увеличивается скорость про­ дольных упругих воли. При этом рост скорости происходит по

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

Для количественной интерпретации результатов измерений проводят лабораторные определения скоростной анизотропии на образцах пород, отобранных с участка измерений, и строят градуировочные графики. В натурных условиях измерения ве­ дут на частотах около 100 кГц по схеме прозвучивания в трех параллельных шпурах или скважинах, пробуриваемых в вер­ шинах квадрата с длиной стороны 50 см [149]. Для измерений

применяют серийные переносные ультразвуковые дефектоскопы н ультразвуковые шахтные датчики (см. рис. 23), применяе­ мые для определения упругих характеристик в массиве пород, описанных в гл. 4.

В случаях, когда при нагружении образцов пород до раз­ рушающих напряжений скорость ультразвуковых волн не воз­ растает или прирост скорости колеблется в незначительных пределах, сейсмоакустические измерения для оценки напряже­ ний в массиве пород неприменимы.

Менее разработай радиометрический метод определения напряжений, связанный с наведением в исследуемом участке мас­ сива радиационного поля [55]. Метод основан на эффекте раз­ личного поглощения радиоактивных излучений породами в за­ висимости от их плотности. С ростом сжимающих напряжений плотность пород, особенно сравнительно малоплотных, сущест­ венно возрастает. При гамма-гамма-каротаже соответствующих участков массива с ростом действующих сжимающих напряже­ ний частота импульсов уменьшается. Этот эффект используют для оценки напряжений в угольном массиве и породах угле­ носных толщ. Но он может дать достаточно надежные резуль­ таты и для весьма плотных скальных пород, таких как гра­ ниты, диабазы и др., для которых абсолютные изменения плот­

ципиально осуществим в двух модификациях: на постоянном и переменном токе. Метод основан на эффекте изменения удель­ ного электрического сопротивления пород с изменением их на­ пряженного состояния [81].

Характерно, что в зависимости от состава и структуры по­ род знак изменения сопротивления с ростом давления может быть различным. Для пород с высокой пористостью и большим содержанием влаги вследствие уменьшения сечения токопро­

ных и других пород с низким содержанием влаги, проводи­ мость которых определяется в основном наличием токо­ проводящих компонентов, вследствие их уплотнения под дей­ ствием сжимающих напряжений и уменьшения расстояний между проводящими компонентами сопротивление понижа­ ется.

Удельное электрическое сопротивление весьма чувствительно к изменению напряжений. Но в то же время оно еще чувстви­ тельнее к изменениям влажности пород. Наряду с влажностью существенную роль играет степень минерализации подземных вод. Вследствие отмеченных обстоятельств применение элек­ трометрического метода, по-видимому, ограничивается усло-