Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства геоконтроля. Методические указания по проведению практических занятий и самостоятельной работы студентов специальности 21.05.05 «Физ
.pdf
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
МЕТОДОМ ГИДРОРАЗРЫВА
4.1. Общие сведения и история метода
Оценки и данные о напряжениях в земной коре могут быть
получены из многих источников. До 1970 г. большинство измерений напряжений было мотивировано инженерными потребностями для проектирования подземных сооружений, таких как туннели, подземные энергетические станции и горные выработки,
поэтому измерение напряжений проводилось в основном на небольшой глубине и в непосредственной близости от подземных
выработок. В прошлом были специально разработаны для таких
ситуаций методы измерения напряжений. К ним относятся различные варианты метода разгрузки напряжения или деформационные методы.
Альтернативный метод для прямого получения информации о
напряжениях при закачке жидкости при испытании скважин был
впервые предложен А.Е. Шайдеггером [4], К. Фэрхерстом [5] и
Р.О. Кели [6] на основании предыдущих результатов, полученных
при гидравлическом разрыве пласта в лабораторных исследованиях М.К. Хаббертом и Д.Г. Уиллисом [7] (H&W). Их последователем в области измерения напряжений с помощью гидроразрыва
пород может быть назван Ф. Руммель [8], работавший в Рурском
университете (г. Бохум, Германия).
В России метод гидроразрыва для определения напряжений
в массиве пород вокруг выработок в настоящее время развивается в Институте горного дела СО РАН (г. Новосибирск) д-ром
техн. наук А.В. Леонтьевым [9, 10] и другими учеными, а работы по обоснованию теоретических основ метода ведутся под руководством акад. М.В. Курлени [11].
Упрощенная схема, поясняющая измерение напряжений методом гидроразрыва пород, приведена на рис. 4.1.
Пакеры 4 служат для герметизации интервала камеры высокого давления 5, в которой производится гидроразрыв. Насос 6
нагнетает жидкость (воду) под давлением в камеру давления 5,
51
давление в камере 5 измеряется манометром (на чертеже не показан).
6
в
1
2
3
4
5
4
Рис. 4.1. Упрощенная схема оборудования для гидроразрыва
пород: 1 – массив пород; 2 – скважина; 3 – трубопровод для подачи воды в камеру давления; 4 – пакеры; 5 – камера давления;
6 – насос с манометром, измеряющим давление жидкости в камере; z – глубина интервала измерения (камеры высокого давления); z
– глубина уровня грунтовых вод от поверхности земли
в
В процессе нагнетания величина давления записывается во
времени регистрирующей системой. По полученной кривой производятся измерения параметров характерных точек, по которым рассчитываются напряжения.
4.2. Описание метода определения
напряжений в массиве с помощью
гидроразрыва пород
Классическую концепцию измерения напряжений в массиве
пород методом гидроразрыва H&W можно резюмировать следующим образом.
52
1. Гидравлическое разрушение породы в стенке скважины
произойдет тогда, когда давление жидкости в скважине превысит минимальное касательное напряжение.
2. Для однородной изотропной породы разрушение будет распространяться в направлении наименьшего сопротивления, т.е.
перпендикулярно направлению минимального главного напряжения (рис. 4.2).
3. Как только впрыск жидкости прерывается, давление разрыва уравновешивает нормальное напряжение, действующее поперек плоскости разрушения, т.е. давление разрыва является мерой для наименьшего главного напряжения.
4. Если впоследствии закрытая трещина находится под давлением, то она снова откроется, когда минимальное тангенциальное напряжение будет превышено.
Рис. 4.2. Вертикальная скважина радиусом R, подвергнутая
главным горизонтальным напряжениям – максимальному S
и минимальному S
ды P для создания гидравлического разрыва пород
, и находящаяся под давлением жидкой сре-
h
При испытаниях производится два гидравлических нагруже-
ния пород вокруг скважины (рис. 4.3).
53
H
P
32 0
;3
cc
P =s−s+s
32
;3
r
P = s −s
3
,
si
P = s
0.c cr
PPs= −
P
c
P
Pr
r
P
si
Время
Рис. 4.3. Изменения давления гидроразрыва: Pc – давление разрыва; P
ретракции); P
– давление при повторном открытии трещины (давление
r
– давление закрытия трещины (shut-in-pressure)
si
Для вертикальной скважины, ориентированной параллельно
главному вертикальному напряжению s
, можно вывести следу-
1
ющие уравнения:
– возникновение трещины:
– повторное давление при открытии трещины:
– закрытие трещины:
где s3 и s2 – минимальное и максимальное горизонтальные глав-
ные напряжения;
, Pr, Psi – давления при разрушении породы, при открытии
P
c
трещины при повторном нагружении и при закрытой трещине соответственно.
Из этих формул может быть определен предел прочности при
растяжении:
Из приведенных уравнений могут быть получены выражения
для определения трех главных напряжений:
(4.1)
54
– вертикальное напряжение:
1
,gzs=r
3;si
Ps=
20
,3
si r
P PPs= − −
( )
0
вв
,P gz z=r−
(4.2)
где r – плотность пород;
g – ускорение свободного падения;
z – глубина интервала измерения от поверхности;
– минимальное главное горизонтальное напряжение:
(4.3)
– максимальное главное горизонтальное напряжение:
– поровое давление жидкости, определяемое по высоте
где P
0
(4.4)
столба жидкости в скважине над интервалом измерения
– плотность воды;
r
в
– глубина уровня грунтовой воды в скважине от поверх-
z
в
(4.5)
ности.
4.3. Задание для выполнения
Выполните расчет напряжений при следующих исходных дан-
ных в соответствии со своим вариантом:
– глубина, на которой нужно определить напряжения z;
– плотность пород r;
– глубина уровня воды в скважине от поверхности z
Из эксперимента определены значения давлений:
– давление первого разрыва P
– давление второго разрыва P
– давление раскрытия трещин P
;
c
;
r
.
si
Следует определить:
– предел прочности при растяжении s
– вертикальное напряжение s
;
1
;
с0
– минимальное главное горизонтальное напряжение s
– максимальное главное горизонтальное напряжение s
Расчет можно проводить по собственному выбору, пользуясь
калькулятором, в Mathcad или Excel. Расчеты в Mathcad приветствуются.
;
в
;
3
.
2
55
4.4. Исходные данные и пример расчета
0
14 11 3 .
МПа
c cr
P PP=−== −
1
2700 9,8 400 10,584 .
МПа
gzs=r = ⋅ ⋅ =
3
9 .
МПа
si
P =s=
( )
0
6
вв
400 60
1000 9,8 3,332 .
10
МПа
P gz z
−
=r −= ⋅⋅ =
20
3 9 11 3,332 12,668 3 .
МПа
si r
P PP=⋅−= =s −−−
Исходные данные для расчетного примера
Глубина, на которой нужно определить напряжения, м ...z = 400
3
Плотность пород, кг/м
Глубина уровня воды в скважине от поверхности, м ...... z
Давление первого разрыва, Мпа .......................P
Давление второго разрыва, Мпа .......................P
Давление раскрытия трещин, Мпа .....................P
1. Предел прочности на растяжение по формуле (4.1):
2. Вертикальное напряжение по формуле (4.2):
3. Минимальное главное горизонтальное напряжение по фор-
муле (4.3):
4. Давление грунтовой воды по формуле (4.5):
.............................r = 2700
= 60
в
= 14
c
= 11
r
= 9
si
Решение
5. Максимальное главное горизонтальное напряжение по фор-
муле (4.4):
4.5. Содержание отчета
Отчет о работе должен содержать:
– общие сведения об определении напряжений в массиве по-
род методом гидроразрыва пород;
– расчетные соотношения (4.1)–(4.5);
– исходные данные индивидуального задания;
– формулы и результаты расчетов в Mathcad.
56
4.6. Контрольные вопросы и задания
1. Какие характерные точки имеют графики давления пер-
вого и второго нагружения при гидроразрыве пород?
2. Какие соотношения описывают величины характерных
давлений на графиках хода испытаний?
3. Какие формулы позволяют рассчитать главные напряже-
ния в области камеры высокого давления?
4. С помощью какой формулы можно определить прочность
пород при растяжении? Объясните, почему это так, и покажите с помощью своей программы, какие величины влияют на результаты измерения предела прочности пород?
5. Влияет ли поровое давление жидкости в грунте на показания при испытании скважины методом гидроразрыва? Если
да, то объясните, почему, и покажите это с помощью вашей программы.
57
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
П4.1. Текст программы ГРП
П4.2. Варианты индивидуальных заданий
№
Глубина
вар.
z, м
1 50 2400 20 6,9 4 2
2 100 2500 40 8,1 5 3
3 150 2600 60 8,9 6 4
4 200 2700 20 10,2 7 5
5 250 2400 40 11,15 8 6
6 300 2500 60 11,95 9 7
7 350 2600 20 13.2 10 8
8 400 2700 40 14,3 11 9
Плотность
r, кг/м
3
Уровень
воды z
Первый пик
, м
в
Pc, МПа
Второй пик
Pr, МПа
58
Остаточное
напряжение
P
si
, МПа
№
вар.
Глубина
z, м
Плотность
3
r, кг/м
Уровень
воды z
Первый пик
, м
в
Pc, МПа
Второй пик
Pr, МПа
Остаточное
напряжение
P
9 50 2400 30 7,15 4 2
10 100 2500 20 8 5 3
11 150 2600 40 9,2 6 4
12 200 2700 60 9,9 7 5
13 250 2400 20 10,9 8 6
14 300 2500 40 12,2 9 7
15 350 2600 60 13,4 10 8
16 400 2700 20 13,9 11 9
17 50 2400 40 6,8 4 2
18 100 2500 60 8,13 5 3
19 150 2600 20 8,8 6 4
20 200 2700 40 9,9 7 5
21 250 2400 60 11 8 6
22 300 2500 20 11,8 9 7
23 350 2600 40 13,1 10 8
24 400 2700 60 14 11 9
25 50 2500 40 10,2 7 5
26 100 2600 60 11,15 8 6
27 150 2700 20 11,95 9 7
28 200 2400 40 13,2 10 8
29 250 2500 60 14,3 11 9
30 300 2600 20 7,15 4 2
31 350 2700 40 8 5 3
32 400 2400 60 9,2 6 4
33 50 2500 20 9,9 7 5
34 100 2600 40 10,9 8 6
35 150 2700 20 12,2 9 7
, МПа
si
59
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ТРЕЩИНОВАТОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
НА КАРЬЕРАХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ И РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ
РАСЧЕТНОГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
5.1. Общие сведения по оценке
трещиноватости массива горных пород
сейсмоакустическим методом
Трещины – плоский разрыв сплошности среды, величина которого на порядок и более превосходит межатомные расстояния
в кристаллической решетке [12]. По величине трещины бывают
трех порядков. Трещины первого порядка являются внутрикристаллическими и обусловлены условиями возникновения и развития отдельных кристаллов. К трещинам второго порядка относятся
трещины между самими кристаллами и трещины в межкристаллическом цементе. К трещинам третьего порядка относятся трещины, образующиеся в результате физико-химических процессов
(эндогенные трещины), и трещины, образующиеся в результате
тектонических процессов. К трещинам третьего порядка относятся
также искусственные трещины, появляющиеся в породах при ведении горных работ. Это экзогенные трещины, и они могут быть
заполнены водой, газами (метан, углекислый газ и др.), минеральными (карбонаты, сульфиды и др.) и органическими веществами.
Трещины оцениваются простиранием и раскрытием. Трещины третьего порядка имеют простирание от сантиметров до ки-
–6
лометров и раскрытие от 10
полняться другими породами, водой и воздухом.
Трещиноватость горных пород – нарушенность монолитности пород трещинами; совокупность трещин, имеющихся в породном массиве.
Трещиноватость горных пород оказывает существенное влияние на выбор системы разработки и параметры буровзрывных
работ, особенно при разработке рудных месторождений.
до 10–1 м. Эти трещины могут за-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]