7.2. Методы измерения динамических напряжений.

Во многих случаях, например, при ведении взрывных работ, на статическое поле напряжений накладываются кратковременно действующие знакопеременные неравномерные динамические поля. В практике часто возникают задачи их измерения и оценки.

Для измерения количественных параметров этих полей применяют вибрографы или сейсмоприемники. Ряд сейсмоприемников, установленных на различном удалении от места взрыва, позволяет получить характеристику поля динамических напряжений, а именно параметры скорости распространения в массиве упругой волны напряжений, максимальные скорости и амплитуды смещения точек массива, затухание упругой волны по мере удаления от места взрыва. По параметрам скорости распространения волны и максимальных смещений точек вычисляют максимальные деформации сжатия и растяжения, а от них переходят к значениям максимальных динамических сжимающих и растягивающих напряжений.

Наряду с использованием сейсмоприемников возможен прямой метод измерения динамических упругих деформаций и определения по ним напряжений. Он основан на применении специальных керновых тензометрических датчиков (рис. 7.5). Для их изготовления на участках наблюдений отбирают породные штуфы и выбуривают из них керны диаметром 40 мм. Отрезок керна длиной 5-10 см распиливают вдоль образующей на три части (рис. 7.5, б). На плоскости одной из них наклеивают розетки тензодатчиков и затем все три части керна склеивают, получая керновый тензодатчик, позволяющий регистрировать динамические деформации породного массива в различных направлениях.

Фото, рис.37 а, стр.112

«Основы мех.г.п.»

Фото, рис.37 б, стр.112

«Основы мех.г.п.»

Рис 7.5. Общий вид (а) и конструкция (б) керновых тензометрических датчиков для измерения деформаций горных пород при динамических воздействиях.

1 - керновый датчик, 2 - соединительный кабель; 3 - штепсельный разъем для подключения к регистрирующей аппаратуре.

Керновые датчики цементируются в шпурах диаметром 55 - 60 мм. Чтобы динамические деформации, регистрируемые керновым датчиком, были максимально близки к фактическим деформациям породного массива, требуется максимальное приближение значений акустического сопротивления цементирующего материала и горной породы в точке измерения. Соответствующий цементирующий состав для этого подбирают, используя смеси цемента с более тяжелой составляющей. Для обеспечения надежного сцепления на контактах цементирующего материала с датчиком и с породным массивом используют расширяющийся цемент.

Керновые датчики описанной конструкции позволяют надежно и многократно регистрировать динамические упругие деформации и напряжения в различных точках исследуемой области породного массива, определять максимальные мгновенные значения сжимающих и растягивающих динамических напряжений, создаваемых при взрывных работах.

7.3. Методы диагностики и определения полного тензора начальных напряжений массива.

Значение информации о естественном напряженном состоянии пород в массиве для оптимизации конструктивных параметров горных выработок и элементов систем разработки общеизвестно, однако большое значение имеет своевременность получения этой информации. При этом на начальных стадиях освоения месторождений, т. е. на первых стадиях геологоразведочных работ и инженерных изысканий, предшествующих проектированию и эксплуатации, весьма важно получить информацию хотя бы о виде напряжённого состояния пород и соотношениях действующих компонент напряжений.

К настоящему времени разработан и опробован широкий спектр экспериментальных и аналитических методов, каждый из которых имеет определённые ограничения как по условиям применения, так и по качеству получаемой информации. Вследствие этого для получения качественной и своевременной информации сообразно с конкретными горногеологическими условиями рассматриваемых месторождений необходимо оптимальное комплексирование разработанных методов.

Именно такое комплексирование положено в основу методического подхода к диагностированию напряженного состояния пород и определению полного тензора напряжений в массиве на различных этапах и стадиях освоения месторождений.

При этом реализуется принцип последовательных приближений. В соответствии с этапами и стадиями процесса освоения месторождения и по мере роста общего объёма информации о месторождении и горнорудном предприятии производится постепенное уточнение параметров поля напряжений, как результат использования всё более специализированных и сложных экспериментальных определений.

Рассматриваемый методический подход включает в себя, в первую очередь, анализ геологического строения, тектоники и сейсмичности района, выполняемый в процессе первого этапа и первой стадии изучения недр (Этап называется «Работы общегеологического назначения»).

В толщах осадочных пород, не подвергнутых метаморфизму, напряженное состояние определяется достаточно часто лишь действием гравитационных сил. В массивах же пород кристаллического фундамента, в соответствии с изложенным выше, высока вероятность проявления тектонических сил, причем горизонтальные сжимающие напряжения могут в несколько раз превышать вертикальные. В слабо метаморфизованных породах тектонические напряжения, как правило, либо отсутствуют, либо проявляются незначительно.

Данные анализа современных движений земной коры рассматриваемого района также позволяют сделать заключение о направлении и интенсивности вертикальных движений земной коры. В активно поднимающихся массивах, в первую очередь, следует ожидать наличие тектонических напряжений. При этом направление наибольшего главного тектонического сжимающего напряжения s_1Т, обычно примерно ортогонально к изолиниям относительных вертикальных движений.

В сейсмоактивных районах направления главных напряжений можно оценить на основе сейсмологических данных о регистрируемых землетрясениях. Направление напряжения s_1Т обычно ортогонально к направлениям сейсмоактивных зон в изучаемом районе, поскольку наиболее интенсивное сжатие земной коры ориентировано вкрест простирания этих зон.

Следующая стадия геомеханических исследований, обычно соответствующая этапу поисков и оценки месторождений, предусматривает широкое использование методов наземной геофизики, при этом наибольшее применение находит сейсмическая разведка. На основе анализа кинематических и динамических параметров упругих волн можно дать прогноз о распределении напряжений в пределах изучаемых структур, могут быть выделены блоки с аномально низкими и аномально высокими напряжениями. Для этого также могут быть использованы результаты электромагнитной и гравиразведки.

При наличии материалов сейсморазведки в случае статистически значимого превышения скоростей упругих волн по данным полевых наблюдений в натурных условиях по сравнению со скоростями в образцах пород, слагающих массив, можно определить направление наибольшего сжимающего напряжения.

Таким образом, на основе региональных исследований и поисковых работ можно дать очень важную оценку типа напряженного состояния пород в изучаемом районе: является ли оно гравитационным или суммарным от действия гравитационных и тектонических сил соответствующего направления.

На этапе разведки и освоения месторождений возможности изучения напряженного состояния значительно расширяются, Здесь могут быть использованы методы сейсмического каротажа скважин вертикального сейсмического просвечивания, метод гидроразрыва пород в стенках скважин, метод учёта азимутального искривления ствола скважин, а также методы, основанные на анализе разрушения керна и поперечного сечения скважин.

В процессе эксплуатационной разведки месторождения или непосредственно уже на стадии строительства и эксплуатации предприятия, когда пройдены горные выработки, определение полного тензора напряжений может проводиться по результатам наблюдений за разрушением поперечных сечений выработок, а также с применением комплекса сейсмоакустических методов и метода разгрузки.

При этом, в первую очередь, предусматривается проведение визуального обследования имеющихся горных выработок. Наблюдениями должны быть охвачены горные выработки, располагающиеся в различных участках массива, с точки зрения слагающих пород и структурных особенностей.

После визуального обследования приступают к этапу инструментальных определений напряжений.

В первую очередь выполняют измерения импульсным сейсмическим методом. Для импульсных сейсмических (ультразвуковых) измерений в пределах изучаемого массива выбирают характерные места, где оборудуют наблюдательные станции, состоящие из шпуров или скважин в стенках и кровле выработок (минимум по три скважины в трех взаимно перпендикулярных направлениях). Типовые схемы наблюдательных станций приведены на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Типовые схемы наб-людательных станций для ультра-звуковых измерений.

а - тупиковая выработка; б - две взаимно пересекающиеся выработки.

1 - горные выработки в плане; 2 - скважины в стенке в направлении, параллельном предполагаемому на-правлению напряжения s₁; 3 - скважины в стенке в направлении, перпендикулярном к предполагаемому направлению напряжения s₁; 4 - скважины в кровле.

В тех случаях, когда на основании предшествующих этапов, например, по данным визуального обследования, имеется предположение о наиболее вероятном направлении наибольшего главного сжимающего направления, целесообразно располагать скважины в направлениях параллельном и перпендикулярном ему.

Импульсные сейсмические измерения позволяют получить обычно ориентировочную оценку действующих напряжений. Однако их высокая производительность дает возможность сравнительно быстро провести измерения во многих точках массива, получив характеристики изменчивости поля напряжений.

На заключительном этапе комплекса работ по определению полного тензора напряжений используют метод разгрузки. Измерения методом разгрузки выполняют не менее, чем в двух скважинах, ориентированных по направлениям главных напряжений, определённых по результатам предшествующего анализа. В целях контроля обычно проводят измерения также и в третьей скважине, ориентированной по направлению третьего главного напряжения.

При обобщении результатов как импульсных сейсмических измерений, так и измерений методом разгрузки необходимо учитывать их разнобазность и применять статистико-вероятностные методы оценки значений напряжений и их направлений.

Конечным итогом изучения напряженного состояния пород на стадии эксплуатационной разведки или при эксплуатации месторождений являются карты напряжений, необходимые для обоснования безопасной и экономичной технологии отработки месторождений полезных ископаемых.