Центр геоизысканий
top3

Определение природного поля напряжений

Центр геоизысканий выполняет комплексную оценку природного поля напряжений в массиве горных пород на месторождениях полезных ископаемых, используя современные методики измерений.

Основной задачей при определении природного поля напряжений является однозначное определение величин, направлений и соотношения действующих в массиве напряжений.

Специалисты Центра геоизысканий имеют обширный опыт инструментального определения действующих в массиве напряжений различными методами разгрузки, дискования керна, ультразвуковым и визуальным способами оценки, описанным ниже.

В массиве горных пород, еще до проведения горных выработок, присутствуют действующие природные силы – естественное напряженное состояние или природное напряженное состояние. При развитии горных работ оно определяет напряженное состояние конструкций, выработок и нетронутого массива вокруг них.

Установление соотношения действующих напряжений в массиве имеет важнейшее практическое значение. С учётом природного напряженного состояния выбирается расположение и способ проведения горных выработок при расчетах и моделировании параметров отработки и развития горных работ, проводится регулирование естественного напряженного состояния путем его разгрузки.

Первые предположения о существовании в массивах горных пород некоторых «естественных напряжений» высказывались отечественными и зарубежными специалистами еще в конце XIX – начале XX в.в. В работах Франца Ржиги и Альберта Гейма утверждалось, что горизонтальные напряжения в массивах имеют такой же порядок, что и вертикальные, а в работе Ф.Ю. Левинсона-Лессинга, – что на больших глубинах они могут быть и выше вертикальных. Впоследствии потребовалось более полувека, чтобы эти гипотезы получили фактическое подтверждение в горной отрасли.

На сегодняшний день установлено и научно обосновано наличие двух сил в земной коре – гравитации и тектоники. В связи с этим природное поле напряжений в массиве может быть определено экспериментально.

Из-за сложного геологического строения недр величину и направление действия тектонических напряжений можно установить только с помощью специальных измерений или по проявлениям горного давления в выработках.

Измерениями во всем мире установлено:

  • величины тектонических напряжений могут превышать вертикальное гравитационное давление толщи пород в 3-7 раз;
  • тектонические напряжения в массиве горных пород распределяются неравномерно – даже в пределах одного месторождения могут встречаться участки с высоким и низким уровнями напряжений;
  • величины горизонтального сжатия массива в разных направлениях в плане могут различаться в несколько раз;
  • наибольшие величины тектонических напряжений наблюдаются в верхних слоях земной коры, где ведутся горные работы; на глубине более 1.5-2.0 км соотношение действующих напряжений приближается к гидростатическому состоянию (равенство действующих напряжений по всем направлениям).

Таким образом, исходное природное напряженное состояние массива определяется независимым действием двух активных сил:

  • гравитации, создающей вертикальное давление собственного веса толщи пород и горизонтальные напряжения бокового распора, не превышающие 25% от вертикальных;
  • горизонтальных тектонических напряжений, неравномерно распределенных по площади и по направлениям действия в плане.

Поэтому в начале разработки новых шахтных полей всегда существует неопределенность: в каком исходном напряженном состоянии находится массив?

Конечно, по мере развития горных работ по сумме признаков – проявлений горного давления в выработках – можно составить достаточно полное представление о природном поле напряжений в массиве, где ведется разработка залежей. Но, зачастую, такие проявления горного давления, как горные удары, обрушения, интенсивное заколообразование и шелушение массива, являются весьма критичными для самого развития горных работ.

Естественное напряженное состояние и его изменения приводят к деформациям, смещениям и разрушениям различных элементов породных массивов на глубине и на поверхности, к деформациям инженерных сооружений, крепей горных выработок, вызывают стреляния горных пород и горные удары.

Экспериментальные способы определения напряжений отличаются друг от друга точностью, базой измерений, трудоемкостью, степенью их теоретического обоснования. Одни способы основываются на строгих аналитических решениях, полученных методами теории упругости, пластичности и ползучести, другие – на корреляционных взаимосвязях. Из наиболее распространенных можно выделить следующие способы определения:

Визуальные наблюдения

Визуально оценить напряженность пород можно лишь тогда, когда напряжения на контуре выработок превышает определенный предел. Возникновение трещин и последующие отслоения по ним происходят в местах, где хотя бы одно из главных напряжений превышает половину прочности пород на сжатие.

Преимуществом визуальных наблюдений является то, что они не требуют использования специальной аппаратуры и позволяют в короткий срок провести анализ на большой площади. По результатам визуальных наблюдений можно оценить характер напряженного состояния и направления действия главных напряжений в массиве. Тем не менее, оценить величину действующих напряжений при визуальных наблюдениях можно лишь весьма приблизительно.

Метод дискования керна

В основу этого метода положены представления о том, что характер разрушения керна в процессе бурения определяется соотношением величины и ориентации главных компонент естественного поля напряжений и прочностными характеристиками пород. Деление керна на диски, толщина которых превышает его диаметр, в прочных скальных породах начинается при определенном соотношении прочности горных пород и действующего напряжения.

Недостатком данного метода является необходимость использования специальной буровой техники, позволяющей извлекать керн горных пород. При использовании двухколонкового снаряда, извлеченный керн приходится «выколачивать» из керноприемника, что зачастую приводит к существенному искажению положения дискованного керна и его состояния в сравнении с его естественным залеганием в массиве. Применение данного метода требует постоянного и пристального внимания к контролю качества в процессе бурения. Анализ же готового керна, извлеченного из массива и уложенного в ящики без участия контролирующего специалиста, у опытных исследователей вызывает объективные сомнения.

Этот метод дает ориентировочное представление о величине действующих напряжений в массиве.

Ультразвуковой метод

Данный способ основан на зависимости скорости и амплитуды упругих волн от величины действующих напряжений в массиве. Определив параметры упругой волны на участке измерений, можно установить направление и оценить соотношение величин главных напряжений.

При  проведении измерений в анизотропных породах необходимо определять скоростную анизотропию на образцах или на разгруженных участках массива и в последующем учитывать ее при анализе скоростей упругих волн в массиве пород.

Данный способ весьма объемен по исполнению, так как требует сопоставления с измерениями на образцах, которые, в свою очередь, тоже требуется каким-то образом извлекать из массива в точках наблюдений. Также для реализации метода требуется наличие специальной аппаратуры, на правильную работу которой оказывают влияние множество косвенных факторов.

Методы разгрузки

Методы разгрузки базируются на инструментальном измерении деформаций при упругом восстановлении элемента массива при искусственном нарушении его связи с основным массивом.

Существуют различные вариации применения метода разгрузки. Среди наиболее действенных и достоверных, с точки зрения получения конечных результатов, можно выделить:

  • Метод щелевой разгрузки
  • Метод скважинной разгрузки
  • Метод фотоупругих датчиков

Метод щелевой разгрузки известен и применяется в горной практике достаточно давно. На ранних этапах этот способ изучения действующих напряжений отличался большой трудоемкостью и имел свои недостатки, ввиду отсутствия точных средств измерения. В настоящее время метод щелевой разгрузки значительно усовершенствован, в области уменьшения трудоемкости и повышения точности измерения за счет усовершенствования техники измерений и технологий бурения.

Суть метода заключается в выбуривании разгрузочных щелей в заранее определенных местах по принципу – три взаимно перпендикулярных щели в каждой точке измерений – и высокоточном замере их деформаций. Зона разгрузки массива горных пород в этом методе достигает трех размеров щели, поэтому в значительно уменьшается влияние разномодульных горных пород, входящих в эту зону, взаимодействия структурных блоков, их остаточных напряжений и т.д.

Комплекс измерений по трем взаимно перпендикулярным щелям дает возможность достоверно рассчитать величины действующих напряжений в трех ортогональных плоскостях, используя систему уравнений, связывающих действующие напряжения, измеренные деформации и геометрические параметры щелей.

Увеличение количества точек измерения в массиве дает необходимую статистику, позволяющую однозначно судить о величинах действующих напряжений в массиве горных пород. В сочетании же с методом фотоупругих датчиков данный метод дает исчерпывающий ответ о величине и направлениях действующих напряжений в массиве, что позволяет однозначно судить о природном поле напряжений.

Метод скважинной разгрузки в определенной степени является продолжением и развитием идеи измерений действующих в массиве напряжений широко известном методом тензометрии, при котором специальным способом наклеиваемые на забой скважины тензодатчики (вертикально, горизонтально и под 45 градусов) давали величины деформаций горной породы при ее разгрузке.

Сложностью метода тензометрии являлись необходимость аккуратного, без нарушения тензодатчиков, выбуривания куска массива, а также необходимость использования специального оборудования для замеров. Также качественная наклейка тензодатчиков на забой скважин являлась трудновыполнимой задачей ввиду необходимости применения специальных приспособлений и наличия большого опыта выполнения подобных процедур у исследователей.

Смысл метода скважинной разгрузки заключается в высокоточном замере деформаций по аналогичным направлениям, применяемым в тензометрии, но на поверхности выработки – вокруг отбуренной скважины.

При наличии специальной буровой техники на горном предприятии данный метод позволяет достаточно оперативно набрать большую статистику измерений в различных точках массива горных пород и однозначно рассчитать величины действующих напряжений.

Сущность метода фотоупругих датчиков заключается в установке в разгрузочной скважине фотоупругого включения в виде полого цилиндра из оптически чувствительного материала. После начала разгрузки массива в скважине происходит нагрузка на фотоупругий датчик, который показывает как направление действующих напряжений, так и их соотношение. При систематических наблюдениях изменений в состоянии фотоупругого включения возможно определение и величин действующих напряжений.

Относительная простота использования данного метода измерений позволяет набирать необходимую статистику в различных частях массива горных пород и в дальнейшем однозначно судить о направлении и соотношении действующих в массиве напряжений.

Одним из преимуществ фотоупругих датчиков является то, что они не требуют электрического питания и не подвержены коррозии, что обеспечивает их длительного использование в шахтных условиях.

Данный метод, в сочетании с методом щелевой или скважинной разгрузки, дает исчерпывающий ответ о величине, направлении и соотношении действующих в массиве напряжений, что позволяет однозначно судить о существующем поле напряжений в массиве.

 

 

 

 

 

ppn11
ppn14
ppn04
ppn05
ppn02
ppn03
ppn06
ppn09
ppn17
ppn18
ppn19
ppn16
ppn20
ppn21