Полевые методы изучения естественного напряженного состояния скальных грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Тувинский государственный университет»

Инженерно-технический факультет

Кафедра Горное дело

Реферат

По дисциплине «Геомеханика»

На тему: «Полевые методы изучения естественного напряженного состояния скальных грунтов»

Выполнила: студент

Бичеол А.А

Проверил: ст.преподаватель

Чульдум У.Д

Кызыл 2021

Содержание

Введение

1. Полевые методы изучения естественного напряженного состояния скальных грунтов

1.1 Геологические Методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.1.1 Оценка напряженного состояния массива на основе общего геологического и геотектонического анализа района

1.1.2 Оценка напряженного состояния массива на основе визуального обследования горных выработок

1.2 Геомеханические методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.2.1 Метод разгрузки керна

1.2.2 Метод частичной разгрузки

1.2.3 Метод щелевой разгрузки

1.2.4 Метод упругих включений

1.2.5 Методгидроразрыва

1.2.6 Метод разности давлений

1.2.7 Методбуровыхскважин

1.3 Геофизические методы оценки напряженно-деформационного состояния массива горных пород

1.3.1 Ультразвуковые методы определения напряжений в массиве горных пород

1.3.2 Гамма-метод определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.3.3 Электрометрический метод оценки напряженно- деформированного состояния массива горных пород

Заключение

Литература

Введение

Породы, залегающие в недрах земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловливается весом пород.

Согласно общепринятому определению под напряжением у понимают силу F, действующую на единицу площади S.

Напряженное состояние горных пород в условиях естественного залегания имеет геологическую природу и связано с существованием глобального поля напряжений, обусловленного преимущественно современным сжатием Земли. Это поле напряжений неоднородно не только по природе сил, его вызывающих (гравитационные, тектонические, и др.), но и по ориентировке в пространстве его составляющих. Во многих случаях оно характеризуется значительной анизотропией горизонтальных сжимающих напряжений. Распределение избыточных горизонтальных напряжений вгорных породах земной коры показывает, что они связаны преимущественно с областями активных новейших и современных тектонических движений.

Изучение напряженного состояния земной коры на всю ее глубину в целом и массивов горных пород имеет не только важное научное, но и практическое значение.

Изучение естественных напряжений представляет собой одну из важнейших фундаментальных задач наук о Земле. (Шкуратник, Николенко 2012г)

1. Полевые методы изучения естественного напряженного состояния скальных грунтов

Методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных породв общем случае можно подразделить на три различные по физическим и методологическим подходам группы.

К первой группе относятся методы, * деформационные,

* геофизические,

* геологические,

* метод гидроразрыва

основанные на анализе общей геологической обстановки, а также на визуальном осмотре горных выработок, деформированных под действием горного давления. Как правило, такие методы способны дать лишь качественную оценку действующих напряжений и характеризуются малой трудоемкостью.

Ко второй группе относятся так называемые геомеханические методы, в основной части основанные на непосредственном измерении деформационных процессов в локальной области массива. Такие методы, как правило, обладают относительно высокой точностью определения напряжений, однако являются весьма трудоемкими и зачастую требующими дополнительного лабораторного определения физико-механических свойств горных пород.

К третьей группе относятся геофизические методы, основанные на изучении взаимосвязи природы, структуры, пространственной и временной изменчивости естественных и искусственных физических полей в массиве с действующими в нем напряжениями. Такие методы позволяют производить контроль как ограниченных, так и сравнительно больших областей массива. Точность определения абсолютных значений действующих напряжений достаточно низка, в то же время они информативны при изучении динамики напряжений во времени и пространстве.

1.1 Геологические Методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.1.1 Оценка напряженного состояния массива на основе общего геологического и геотектонического анализа района

Безусловно, для точного определения величин и направлений напряжений, действующих в массиве, необходимо прибегать к геомеханическим и геофизическим измерениям. Но для приближенной предварительной оценки представляется возможным использовать результаты анализа геологического и геотектонического состояния массива Прежде всего определяется тип массива горных пород, который может относиться к одной из четырех групп: породный массив кристаллического фундамента, область контрастно выраженной складчатости чехла платформ, слабо метаморфизованные породы чехла, а также осадочные комплексы (к которым относятся месторождения бурого угля, солей и гипса). Для первых двух типов, как правило, характерно существенное проявление тектонических сил, при этом горизонтальные сжимающие напряжения могут превосходить вертикальные. В массиве третьей группы тектонические силы проявляются весьма слабо, для четвертой же группы напряженно-деформированное состояние массива определяется исключительно весом налегающих пород.

Дополнительную информацию о горизонтальных напряжениях возможно получить из анализа горизонтальных перемещений земной коры. Значительные перемещения, как правило, обусловливают высокий уровень напряжений, действующих в горизонтальной плоскости.

Наряду с тектоническими характеристиками следует также учитывать характеристику древних геологических структур, в частности трещиноватость массива. Как правило, в сильнотрещиноватых породах максимальные величины напряжений меньше, чем в аналогичных монолитных упругих массивах.

Одним из важных критериев предварительной оценки является сейсмическая активность района. Районы, в которых регистрируются сейсмические события высокой энергии и повторяемости, обладают большими величинами касательных напряжений. Верхний предел касательных напряжений по сейсмологическим оценкам равен 30 МПа

1.1.2 Оценка напряженного состояния массива на основе визуального обследования горных выработок

Визуальное обследование горных выработок позволяет получить предварительные представления о структуре поля напряжений в пределах изучаемого месторождения .Одним из критериев успешной оценки является высокий уровень напряжений на контуре выработок. Обычно такие напряжения должны превышать половину предела прочности пород на сжатие.

При помощи визуального обследования возможно решить следующие задачи: определение характера напряженного состояния массива (его принадлежность к гидростатичному или негидростатичному состоянию); определение приближенного направления максимального напряжения у1; оценка однородности поля напряжений на различных участках, в частности, с изменением глубины.

К объектам визуального осмотра относятся горизонтальные, вертикальные и наклонные незакрепленные горные выработки, а так-же буровые скважины, находящиеся вне зоны влияния очистных работ. При осмотре основным показателем проявления горного давления служат локальные разрушения горных пород на контурах выработок.

Для гидростатического напряженного состояния характерны равномерные нарушения пород на кровле и стенках выработок. При этом области разрушений не зависят от выбора направления в горизонтальной плоскости. Отклонения в равномерности разрушений могут быть связаны с высокой трещиноватостью и слоистостью пород, что также устанавливается в процессе визуального осмотра.

Для негидростатического напряженного состояния характерно преимущественное разрушение стенок или кровли горизонтальных горных выработок различной направленности.

При оценке направления максимального напряжения в горизон-тальной плоскости визуальному осмотру подлежат незакрепленные вертикальные горные выработки. В случае достаточно большого значения у1 может иметь место хрупкое разрушение пород в стенках таких выработок на участках, простирание которых близко к направлению действия максимального главного напряжения. Пример расположения таких нарушений приведен на рис. 1.1

Вертикальное или горизонтальное направление у3 возможно также оценить с помощью визуальной оценки хрупких разрушений на контуре горизонтальных одиночных выработок. При вертикальном направлении у3 зоны разрушений будут находиться на стенках выработок, а при горизонтальном - в кровле.

Оценка напряженного состояния массива по дискованию керна в скважинах. Как правило, наибольший интерес представляет максимальное из главных напряжений, действующих в определенной области мас- сива. Такое напряжение численно можно определить по формуле при наблюдении хрупкого разрушения участков горных выработок

Коэффициент в знаменателе выражения (1) является произведением приближенных значений коэффициента К1перехода от прочности пород в образце к прочности пород на контуре выработки и коэффициента К2 концентрации напряжений на контуре выработки.

В случае, когда при бурении скважин происходит дискование керна его дробление на разные по толщине диски, значение максимального сжимающего напряжения может быть оценено по формуле.

Пример дискования керна приведен на рис. 1.3. В этом случае эмпирический коэффициент 2 учитывает переход от напряжений на торце скважины к напряжениям в массиве. Более детальный анализ конкретных геологических условий может привести к нахождению конкретных корреляционных зависимостей между толщиной получа-емых дисков и действующими в массиве напряжениями.

1.2 Геомеханические методы оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

1.2.1 Метод разгрузки керна

Метод основан на взаимосвязи между действующими напряжениями и деформациями упругого восстановления элемента горной породы, проявляющимися в процессе нарушения связи этого элемен-та с окружающим массивом

Суть метода сводится к следующему. В исследуемой точке маcсива бурится измерительная скважина. Торец скважины шлифуется с помощью специальной буровой коронки. Затем на этот торец с помо-щью специального досылочно-ориентирующего устройства приклеи- вают розетку тензоэлектрических датчиков, ориентированных под разными углами.

После полной полимеризации клея торец скважины обуривают кольцевой щелью. Полученный при этом керн начинает деформиро-ваться вследствие нарушения связи с окружающим массивом. Соот-ветствующие деформации регистрируются с помощью тензодатчиков. Связь между деформациями и напряжениями в массиве горных пород устанавливают на основе существующих решений краевых задач тео-рии упругости для плоскости с круговым вырезом. Определенные с помощью таких вычислений напряжения будут являться главными. При этом необходимым условием является знание упругих констант горных пород, слагающих исследуемый массив.

В общем случае переход от измеренных на торце разгруженного керна деформаций е1, е2 и е3 по трем направлениям к главным напря-жениям у1, у2 и у3 производится на основании выражений

1.2.2 Метод частичной разгрузки

Метод частичной разгрузки основан на измерении деформаций области массива, разгруженной центральным отверстием

Различают два вида методов частичной разгрузки: метод раз- грузки с наклеиванием тензодатчиков и метод разгрузки с использо- ванием съемных тензометров. горный буровой скважина напряжение

Первый применяется на сухих ровных поверхностях обнажения, на которые возможно наклеивать тензодатчики. В сильно обводнен-ных массивах наклейка тензодатчиков невозможна, поэтому приме- няют съемные тензометры. Схемы измерений обоими вариантами ис-полнения метода частичной разгрузки представлены на рис1.4

1.2.3 Метод щелевой разгрузки

Метод щелевой разгрузки является одним из видов методов разгрузки, основанных на оценке деформаций массива после нарушения его сплошности.По сравнению с методами разгрузки керна метод щелевой разгрузки характеризуется меньшей зависимостью от разномодульности горных пород в зоне измерений, т.к. зона разгрузки достигает трех размеров щели.

Применение описанного метода позволяет получить информа-цию о напряжениях в массиве на глубине до 1м, что накладывает определенные ограничения на его использование. С другой стороны, измерения с использованием разгрузочной щели обладают относи-тельно низкой трудоемкостью и достаточно высокой точностью опре-деления вертикальной компоненты напряжений, что позволяет широ-ко применять метод в различных горно-геологических условиях.

1.2.4 Метод упругих включений

Метод упругих включений используется для оценки изменения напряженного состояния массива.

Указанный метод основан на применении фотоупругих датчиков (тензометров), обладающих свойством изменять степень прозрачности в поляризованном свете при воздействии на них определенной нагрузки. В сложнонапряженном состоянии в таком датчике можно наблюдать сложную картину изохром и изоклин, обладающих двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии, указывающими на направление главных нормальных напряжений. В случае когда ком-поненты таких напряжений равны, в поляризованном свете на кар-тине полос фотоупругого тензометра можно наблюдать ряд концен-трическихокружностей Абсолютные напряжения в массиве определяются сложением первоначальных напряжений, измеренных одним из методов разгруз-ки, и приращенных напряжений, измеренных с помощью метода упругих включений. В данном случае комплексирование геомеханических методов является обязательным условием определения абсо-лютных значений действующих в массиве напряжений.

Аппаратурное обеспечение метода включает сам фотоупругий датчик, а также набор досылочного и установочного оборудования.

Фотоупругий датчик представляет собой стеклянный диск с центральным отверстием. Наиболее часто применяется разновидность метода упругих включений с использованием отражающего поляри-скопа, поэтому обратную сторону диска покрывают отражающим слоем, защищенным от коррозии и механических повреждений не-сколькими слоями краски. В качестве материала для датчика служит оптическое стекло.

1.2.5 Методгидроразрыва

Метод основан на принципе восстановления первоначальных напряжений в массиве горных пород и дальнейшего увеличения дав-ления вплоть до образования в массиве трещин разрыва.Схема проведения испытаний методом гидроразрыва представ-лена на рис 1.6. Суть метода сводится к следующему. Из горной выработки в направлении действия одного из главных напряжений бурится изме-рительная скважина, в которой на определенной глубине устанавли-ваются два пакера. Через отверстие в одном из них в скважину с по-мощью насоса нагнетается жидкость.

Скорость нагнетания жидкости должна быть достаточно высо-кой, чтобы минимизировать фильтрационные потери и поровое дав-ление. При достижении в замкнутом объеме участка скважины опре-деленного значения давления жидкости по площадке в массиве с наибольшим растягивающим тангенциальным напряжением иниции-руется трещина разрыва. Направление развития трещины в этом слу-чае будет совпадать с направлением действия максимального сжима-ющего напряжения, находящегося в плоскости, ортогональной оси скважины.

Возможность повторного нагружения скважины позволяет вы-делить на диаграмме зависимости давления от времени характерные зоны, используемые в дальнейшем при интерпретации результатов. К таким зонам относятся значения Рс- давление разрыва скважины при первом нагружении, Рr- давление раскрытия трещины при повторных 35 циклахнагружения, Ps- давление закрытия трещины. Пример диа-граммы давление - время приведен на рис 1.7

Важным является тот факт, что давление жидкости при гидро-разрыве и напряжения в исследуемом массиве имеют одну и ту же размерность (МПа), что исключает необходимость дополнительно определять деформационные свойства горных пород.

1.2.6 Метод разности давлений

Метод разности давлений основан на применении гидравличе-ских датчиков для создания в измерительной скважине определенного уровня давления, которое принимают за начальное. По изменению давления в гидросистеме оценивается приращение напряжений, вы-званное ведением горных работ и другими производственными факторами. Комплект измерительной аппаратуры состоит из маслостанции, маслопровода, манометра и гидравлического датчика.

Гидравлический датчик представляет собой устройство для рав-номерной передачи гидростатического давления из гидросистемы на стенки измерительной скважины. Датчик состоит из толстостенной резиновой оболочки, двух запирающих шайб, центрального стягивающего стержня и штуцера для присоединения высоконапорного мас-лопровода.

Для создания в гидросистеме давлений до 16 МПа предназначе-намаслостанция. Масло подается к гидравлическому датчику посред-ством маслопровода, представляющего собой латунную трубку с толщиной стенок на менее 1мм и внутренним диаметром не менее 0,3мм.

Манометр предназначен для измерения давления масла в гидро-системе, которое уравновешивается давлением массива горных пород в окрестностях гидравлического датчика.

1.2.7 Методбуровыхскважин

Большинство осадочных горных пород обладает свойством пол-зучести - способностью к длительным деформациям при напряжени-ях до 70% от предела прочности. При этом значения деформаций пол-зучести могут достигать 150 - 370% от упругих. Оценка напряжений в массиве горных пород производится пу-тем измерения деформаций ползучести. Для этого из горной выработ-ки вглубь массива бурится измерительная скважина, в которой раз-мещаетсядеформометр, с помощью которого регистрируются дефор-мации контура скважины. Одним из вариантов исполнения скважинного метода является применение скважинных динамометров - устройств, измеряющих непосредственно напряжения, вызываемые деформацией измерительной скважины. С целью установления взаимосвязи между деформациями и напряжениями скважинные динамометры тарируют в лабораторных условиях на образцах материалов со сходными с горными породами упругими характеристиками. В случае использования скважинных динамометров существует два варианта проведения измерений - измерение абсолютных значений действующих в массиве напряжений и измерение приращения напряжений, вызванного различными горно-технологическими процессами.

1.3 Геофизические методы оценки напряженно-деформационного состояния массива горных пород

1.3.1 Ультразвуковые методы определения напряжений в массиве горных пород

Сущность извлечения искомой информации о горной породе ультразвуковыми (УЗ) методами сводится к следующему. В процессе своего распространения УЗ колебания (УЗК) взаимодействуют с пер-вичными полями различной физической природы, характеризующими горную породу как объект исследований и контроля. В частности, это относится к полям напряжений. При этом изменяются параметры УЗ колебаний. В результате последние становятся носителями измери-тельной информации. В то же время сами УЗК, являясь низкоэнерге-тическими, на исследуемые первичные поля практически не влияют. Таким образом, проблема определения параметров первичных физи-ческих полей сводится к измерению параметров распространяющихся в массиве УЗ сигналов, осуществляемому современными радиоэлек-тронными средствами. В качестве информативных параметров УЗ контроля чаще всего используются скорости распространения продольных Cpи (реже) по-перечныхCsупругих волн, а также их коэффициенты затухания бp и бs со-ответственно. Частотный диапазон, используемый при измерениях в мас-сиве, обычно составляет от 30 до 150 кГц. Качественная зависимость скорости распространения УЗК от приложенной нагрузкиС= f (P) в большинстве горных пород пред-ставлена на рис.1.8

На участке Р0 - Р1 (Р? 0,5 Рр, где Ррсоответствует давлению, при котором начинается разрушение) в породе происходит закрытие микротрещин, увеличение числа и площади упругих контактов между отдельными зернами. Это приводит к уплотнению породы, возраста-нию модуля упругости и, как следствие, наиболее резкому увеличе-нию скорости по сравнению с исходным (при Р0= 0) значением С0. Увеличение давления на участке Р1 - Р2 сопровождается деформаци-ями в основном за счет сжатия внутрипорового пространства и ча-стично твердого скелета. Рост скорости здесь существенно замедляет-ся или вообще отсутствует. При последующем увеличении нагрузки (участок Р2 - Р3) в породе появляются более значительные деформа-ции, местные нарушения сплошности, а затем происходит и полное ее разрушение. Скорость распространения УЗК на этом участке падает.Крутизна кривой С = f (P) на каждом из указанных участков, а также границы и протяженность последних индивидуальны для от- дельных типов пород и зависят от вида напряженного состояния.

1.3.2 Гамма-метод определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород

В основе гамма-метода оценки напряжений в массиве лежит яв-ление ослабления радиоактивного излучения с повышением плотно- сти горных пород, которая в свою очередь является функцией напря- жений. В соответствии с проникающей способностью излучения для эффективной реализации метода подходит только гамма-излучение. Методы, основанные на применении рентгеновского, а также б- и в- излучения не отвечают требованиям глубинности и неприменимы для оценки напряжений в горных породах. Указанные виды излучений ограниченно применяются только для определения элементарного со- става горных пород, а также оценки пористости пород на небольших глубинах. Следует отметить, что коэффициент ослабления гамма-излучения зависит не только от плотности горных пород, но и от энергии излучения, а также вещественного состава массива. Влияние энергии излучения легко исключается использованием источника определенной энергии, в роли которого чаще всего выступает ко-бальт-60 (энергетический спектр состоит из двух линий - 1.33 и 1.17 Мэв). Исключение влияния вещественного состава пород является важнейшей задачей ядерной геофизики. Все гамма-методы определения напряжений в массиве горных пород можно подразделить на три основных типа:

1) метод узкого пучка;

2) метод широкого пучка;

3) метод рассеянного гамма-излучения.

В случае использования метода узкого пучка регистрации под-лежит только первичное гамма-излучение, прошедшее через изучае-мый слой горных пород. При этом рассеянное излучение исключают аппаратными способами. Метод узкого пучка из-за сложности аппа-ратуры чаще всего применяется для просвечивания образцов горной породы в лабораторных условиях. напряженный деформированный горный порода

В подземных условиях в основном применяется метод широкого пучка. При использовании этого метода регистрации подлежит как первичное, так и рассеянное излучение. В этом случае для регистра-ции гамма-излучения используются интегрирующие радиометры на газоразрядных счетчиках. Измерения производят в параллельных шпурах глубиной до 3м.

В методе рассеянного гамма-излучения регистрации подлежит только рассеянное излучение. Прямое излучение экранируется с по-мощью свинцовых экранов, расположенных между излучателем и приемником внутри одного зонда. Метод нашел широкое применение для оценки плотности пород в скважинах, глубиной до нескольких километров.

Для проведения натурных измерений напряжений в массиве горных пород методом рассеянного излучения используют два типа каротажных зондов - 4р-зонды, излучение от которых распространя-ется на все пространство вокруг зонда, и 2р-зонды, имеющие одно-стороннее излучение и регистрацию гамма-излучения. Схемы обоих типов зондов приведены на рис. 1.9

При этом 4р-зонды чаще всего применяются в горном деле и строительстве в скважинах малого диа-метра (30-60мм), а 2р-зонды больше применимы для целей разведки и используются при каротаже в скважинах диаметром 90-110мм.Отдельно стоит отметить, что источники ионизирующего излу-чения относятся к опасным производственным факторам. С целью снижения влияния излучения на организм человека применяются раз-личные защитные меры, заключающиеся в различных типах экрани-рования, а также в обязательном использовании различных щипцов и манипуляторов при работе с радиоактивными материалами.

1.3.3 Электрометрический метод оценки напряженно- деформированного состояния массива горных пород

В основе электрометрического метода оценки напряжений в массиве лежит взаимосвязь давления и электрического сопротивления горных пород. В диэлектриках бульшая часть заряженных частиц находится в связанном состоянии. Именно к ним отностятся практически все горные породы. Проводники характеризуются свободными электронами, легко перемещающимися по объему вещества. Некоторые богатонасыщенные металлические руды проявляют свойства проводников.

Полупроводники характеризуются слабой взаимосвязью заряженных частиц, при этом внешнее электромагнитное или тепловое воздействие может значительно увеличить количество носителей электрического заряда. К полупроводникам относяться некоторые рудные минералы.

Большинство горных пород, являющихся, как указано выше, диэлектриками, имеет электролитическую природу проводимости. Другими словами, ток в этих породах проводят насыщающие их флюиды - растворы минеральных солей, щелочей и кислот. Таким образом, проводимость таких пород в значительной степени зависит от их трещиноватости и пористости, а также наполненности их различными флюидами.

1.3.4 Звукометрический метод оценки напряженного состояния массива горных пород

Как известно, горные породы, слагающие массив, обладают высокой степенью вещественной и структурной неоднородности. Обусловленная различным минеральным составом, трещиноватостью и пористостью, такая неоднородность приводит к возникновению микроразрушений при напряжениях, значительно меньших, чем напряжения разрушения. Образование миктротрещин как правило сопровождается возникновением акустических импульсов, распространяющихся в толще массива. Интенсивность таких импульсов характеризует масштабы деформаций массива под дейтсвием естественного поля напряжений. При этом на интенсивность акустических событий также влияет минеральный и структурный состав пород. Звукометрический метод основан на измерении активности акустических импульсов, возникающих при изменении напряженно-деформированного состояния в определенной области массива. Экспериментальные исследования показали, что наибольшая интенсивность акустических сигналов соответствует промежутку давлений от 30 до 60% от разрушающих. При этом процесс изменения давления оказывает бульшее влияние на интенсивность акустических импульсов, чем абсолютное значение этого давления. Это создает предпосылки к использованию звукометрического метода для оценки динамики напряженно-деформированного состояния массива во времени.

Заключение

Существует много методов для изучения наряженного (деформационного) состояния горной породы, которые уже открыты или будут открыты в дальнейшем. Но на данный этап, я считаю, что лучше пользоваться, тем что есть. Пока эти методы позволяют изучать горную породу, этим и нужно довольствоваться. В будущем, добыча усложниться, и будут разработаны или созданы более удобные методы.

Литература

1. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1996. - 446 с.

2. Шкуратник, Николенко Методы определения НДС

Размещено на Allbest.ru