Способ определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород методом параллельных скважин

Изобретение относится к горному делу, а именно способу оценки напряжений массива горных пород методом параллельных скважин, предназначено для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на угольных и рудных месторождениях, а также бетонного массива и может быть использовано для оценки и прогноза устойчивости горных выработок при производстве добычных работ. Согласно способу на контролируемом участке бурят измерительную скважину, устанавливают в неё измерительный прибор, с помощью которого измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины. Бурят разгрузочную скважину параллельно измерительной скважине, а после завершения бурения разгрузочной скважины в неё устанавливают нагрузочное устройство, с помощью которого нагружают стенки разгрузочной скважины равномерным давлением, после чего измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины и по зависимости величин радиальных смещений стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины, определяют упругие характеристики массива горных пород, по которым определяют НДС массива горных пород в месте проведения измерений. При этом места установки измерительного прибора в измерительной скважине определяют по результатам анализа выбуренного из неё керна, а также с помощью видеосъёмки или эндоскопического исследования состояния поверхности её стенок. Установку измерительного прибора производят на участках сплошного массива без нарушений сплошности поверхности стенок измерительной скважины и при отсутствии в ней трещин. При установке измерительного прибора выполняют его ориентацию в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины. При измерении используют измерительный прибор с цифровым устройством и возможностью автоматической регистрации и передачи данных в виде цифрового сигнала в режиме реального времени из места проведения измерений в интерфейсную систему сбора, хранения, обработки, преобразования и интерпретации полученных данных в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением, включающим расчётную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. Измерение величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и их автоматическую регистрацию в режиме реального времени производят как минимум по четырём разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения, а равномерное нагружение давлением стенок разгрузочной скважины нагрузочным устройством. Определяют комплексную упругую характеристику массива горных пород, с предварительной оценкой качества полученных данных. После определения НДС, при положительной предварительной оценке качества полученных данных в процессе нагружения давлением стенок указанной разгрузочной скважины, производят инструментальный контроль взаимного расположения указанных измерительной и разгрузочной скважин в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, и визуальный контроль на экране ПК изменений их взаимного расположения в процессе бурения. По результатам определения фактического взаимного расположения указанных скважин, в случае нарушения их параллельности, уточняют величину комплексной упругой характеристики массива горных пород в месте проведения измерений с учётом фактической геометрии скважин. Процесс измерения в режиме реального времени величин радиальных смещений стенок измерительной скважины останавливают в тот момент, когда измерительным прибором регистрируют их скачкообразные изменения. С помощью компьютерной программы в интерфейсной системе в автоматическом режиме используют полученные величины радиальных смещений стенок измерительной скважины для предварительной оценки результатов определения НДС непосредственно в месте его проведения и сравнивают их с ранее полученными соответствующими данными в предыдущем месте проведения измерений. По результатам сравнения принимают решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС массива горных пород по всей глубине измерительной скважины. Технический результат - повышение точности определения местоположения зон локализации деформаций. 7 ил.

 

Техническое решение относится к горному делу, а именно к способам оценки напряжений массива горных пород методом параллельных скважин, предназначено для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород на угольных и рудных месторождениях, а также бетонного массива и может быть использовано для оценки и прогноза устойчивости горных выработок при производстве добычных работ.

Известен способ определения напряжений в массиве осадочных горных пород по авт. св. СССР №368402, кл. Е21с 39/00, G01l 1/00, опубл. 26.01.1973 г. в БИ №9, включающий проходку в массиве осадочных горных пород измерительной скважины, установку в ней измерительного прибора, измерение смещений стенок измерительной скважины, проходку в массиве осадочных горных пород параллельной разгрузочной скважины и измерение деформаций измерительной скважины при разгрузке ее.

Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: бурение в массиве горных пород измерительной скважины, установку в ней измерительного прибора, бурение в массиве горных пород разгрузочной скважины, измерение радиальных смещений стенок измерительной скважины с последующим определением НДС массива горных пород.

Недостатком данного способа является то, что в нем нет учета упругих констант в массиве горных пород, определяемых по результатам испытаний в лабораторных условиях, которые получают по результатам испытаний кернов, ориентированных в направлении, перпендикулярном плоскости измерений при оценке НДС массива горных пород. В результате, отсутствие учета упругих констант в массиве горных пород, которые необходимы для пересчета измеренных деформаций в величины действующих напряжений, значительно снижает точность измерений, а значит, эффективность выполняемых работ.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ определения НДС в массиве горных пород по авт. св. СССР №877005, кл. Е21С 39/00, опубл. 30.10.1981 г. в БИ №40, взятый в качестве прототипа.

Данный способ включает бурение измерительной скважины, установку в ней прибора для измерения перемещения стенок измерительной скважины, бурение параллельной разгрузочной скважины и измерение перемещения стенок измерительной скважины, установку в нее нагрузочного устройства, нагружение ее стенки равномерным давлением, последующее измерение перемещения стенок в измерительной скважины, и по зависимости перемещения стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины, определение упругих характеристик пород в месте измерений, на основании чего определяют НДС массива горных пород.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: бурение измерительной скважины на контролируемом участке массива горных пород, установка в измерительной скважине измерительного прибора для измерения перемещений стенок измерительной скважины, бурение в массиве горных пород разгрузочной скважины параллельно измерительной скважины, установка в разгрузочной скважине нагрузочного устройства и нагружение ее стенок равномерным давлением, измерение величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и по зависимости величин радиальных смещений стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины воздействием на нее нагрузочного устройства, определение упругих характеристик массива горных пород, по которым определяют НДС массива горных пород в месте проведения измерений.

Недостатком данного способа является то, что в нем нет исследования однородности места установки измерительного прибора в измерительной скважине, которое определяют по результатам анализа выбранного керна, а также с помощью видеосъемки или эндоскопического исследования состояния поверхности стенок измерительной скважины с последующим уточнением состояния сплошности поверхности контура измерительной скважины, что не позволяет выбрать контролируемый участок, максимально приближенный к расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород, тем самым снижая точность определения НДС. Кроме того, данный способ не позволяет контролировать деформирование стенок измерительной скважины в процессе бурения разгрузочной скважины по всей длине контролируемого участка, а также получать данные в режиме реального времени о деформационных характеристиках пород, необходимых для расчета величин напряжений при разработке массива горных пород и возможного их разрушения при ведении горных работ, что особенно важно с точки зрения своевременного принятия превентивных мер по обеспечению эффективной и безопасной отработки рудных запасов.

Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности контроля процессов при определении НДС массива горных пород методом параллельных скважин за счет более точного задания контролируемых параметров эксперимента, входящих в расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород, путем определения места установки измерительного прибора и определения величин напряжений в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, как минимум по четырем разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения. Кроме того, такое техническое решение позволяет автоматически получать в режиме реального времени в месте измерения необходимую информацию для дальнейшего ведения эксперимента, что позволяет оперативно и достоверно оценивать качество эксперимента, своевременно принять решение о его прекращении, как не соответствующего принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород, и тем самым снизить производственные затраты для дальнейшего ведения эксперимента, а значит - повысить эффективность выполняемых работ.

Проблема решается тем, что в представленном способе определения НДС массива горных пород методом параллельных скважин, при котором на контролируемом участке бурят измерительную скважину, устанавливают в нее измерительный прибор, с помощью которого измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины, бурят разгрузочную скважину параллельно измерительной скважине, а после завершения бурения разгрузочной скважины в нее устанавливают нагрузочное устройство, с помощью которого нагружают стенки разгрузочной скважины равномерным давлением, после чего измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины, и по зависимости величин радиальных смещений стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины, определяют упругие характеристики массива горных пород, по которым определяют НДС массива горных пород в месте проведения измерений, согласно техническому решению места установки указанного измерительного прибора в измерительной скважине определяют по результатам анализа выбуренного из нее керна, а также с помощью видеосъемки или эндоскопического исследования состояния поверхности ее стенок. Установку указанного измерительного прибора производят на участках сплошного массива без нарушений сплошности поверхности стенок измерительной скважины и при отсутствии в ней трещин, причем при установке измерительного прибора выполняют его ориентацию в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, относительно выбранной системы координат в месте проведения измерений с помощью дополнительно введенного датчика ориентации, размещенного в корпусе указанного измерительного прибора. При измерении используют измерительный прибор с цифровым устройством и возможностью автоматической регистрации и передачи данных в виде цифрового сигнала в режиме реального времени из места проведения измерений в интерфейсную систему сбора, хранения, обработки, преобразования и интерпретации полученных данных в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением, включающим расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. При этом измерение величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и их автоматическую регистрацию в режиме реального времени производят как минимум по четырем разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения. Равномерное нагружение давлением стенок разгрузочной скважины нагрузочным устройством, на глубине установки указанного измерительного прибора, производят с последующей разгрузкой этой скважины и одновременной автоматической регистрацией в указанной интерфейсной системе соответствующих измеренных величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и давления. Причем определение комплексной упругой характеристики массива горных пород, с предварительной оценкой качества полученных данных в рамках принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения массива горных пород, производят путем вычисления ее с помощью компьютерной программы в указанной интерфейсной системе в автоматическом режиме непосредственно в месте проведения измерений. После определения НДС, при положительной предварительной оценке качества полученных данных в процессе нагружения давлением стенок указанной разгрузочной скважины, производят инструментальный контроль взаимного расположения указанных измерительной и разгрузочной скважин в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, и визуальный контроль на экране ПК изменений их взаимного расположения в процессе бурения. Затем по результатам определения фактического взаимного расположения указанных скважин, в случае нарушения их параллельности, уточняют величину комплексной упругой характеристики массива горных пород в месте проведения измерений с учетом фактической геометрии скважин путем введения дополнительных экспериментальных данных в расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме, а величины действующих напряжений массива горных пород определяют в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины. Процесс измерения в режиме реального времени величин радиальных смещений стенок измерительной скважины останавливают в тот момент, когда указанным измерительным прибором регистрируют их скачкообразные изменения. С помощью компьютерной программы в указанной интерфейсной системе в автоматическом режиме используют полученные величины радиальных смещений стенок измерительной скважины для предварительной оценки результатов определения НДС непосредственно в месте его проведения. Далее сравнивают их с ранее полученными соответствующими данными в предыдущем месте проведения измерений и по результатам сравнения принимают решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС массива горных пород по всей глубине измерительной скважины.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность определения НДС массива горных пород методом параллельных скважин за счет более точного задания геометрических параметров эксперимента, входящих в расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород, путем определения места установки измерительного прибора и определения величин напряжений в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, как минимум по четырем разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения и за счет обеспечения в режиме реального времени оперативного доступа к актуальной информации непосредственно в месте измерения и повышения ее точности, а значит, достоверности, используя цифровые технологии передачи данных и расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. Кроме того, указанная совокупность признаков дает возможность предварительной оценки результатов эксперимента непосредственно на месте его проведения и сравнения их с ранее полученными результатами, что позволяет оперативно принять решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований напряжений по всей глубине скважины, своевременно принять решение о прекращении эксперимента, как не соответствующего принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород, и тем самым снизить производственные затраты, а значит - повысить эффективность выполняемых работ.

Сущность технического решения поясняется примером реализации способа определения НДС массива горных пород методом параллельных скважин и чертежами фиг. 1-7, где на фиг. 1-3 представлена схема реализации этого способа, продольный разрез по длине измерительной и разгрузочной скважин на контролируемом участке с местом установки измерительного прибора в измерительной скважине в массиве горных пород, при этом на фиг. 1 показана установка измерительного прибора, например цифрового скважинного многоканального деформометра и забуривание параллельно измерительной скважине разгрузочной скважины; на фиг. 2 показано бурение разгрузочной скважины с регистрацией деформаций измерительной скважины; на фиг. 3 показан процесс нагружения стенок разгрузочной скважины с применением нагрузочного устройства и регистрацией величин радиальных смещений стенок измерительной скважины для определения комплексной упругой характеристики среды; на фиг. 4 - форма отображения на экране ПК данных оперативного наблюдения в режиме реального времени в процессе эксперимента по нагружению разгрузочной скважины и управления ходом эксперимента; на фиг. 5 - форма отображения на экране ПК результатов эксперимента по нагружению разгрузочной скважины; на фиг. 6 - отображение на экране ПК результата вычисления модуля Gк упругости в окрестности измерительной скважины после проведения эксперимента; фиг. 7 - отображение на экране ПК результатов вычисления компонент главных напряжений при данном модуле Gк упругости после проведения эксперимента.

Способ определения НДС массива горных пород методом параллельных скважин осуществляют следующим образом. До начала отработки контролируемого участка в предварительно пробуренной в массиве горных пород измерительной скважине 1 определяют место установки измерительного прибора 2. Места установки указанного измерительного прибора 2 определяют по результатам анализа выбуренного керна, а так же с помощью видеосъемки или эндоскопического исследования состояния поверхности стенок измерительной скважины 1. Устанавливают измерительный прибор 2, например, скважинный цифровой многоканальный деформометр для измерения величин радиальных смещений ее стенок на участках сплошного массива без нарушений поверхности стенок измерительной скважины 1 и отсутствии в ней трещин (см. фиг. 1). При установке измерительного прибора 2 выполняют его ориентацию в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины 1, относительно выбранной системы координат на контролируемом участке, с помощью дополнительно введенного датчика ориентации (на фиг. 1 не показан), размещенного в корпусе измерительного прибора 2, ориентируя одну из измерительных пар измерительного прибора 2 вертикально. При измерении используют измерительный прибор 2, оснащенный цифровым устройством (на фиг. 1 не показан) с возможностью автоматической регистрации и передачи данных в виде цифрового сигнала в режиме реального времени из места проведения измерений в интерфейсную систему 3 сбора, хранения, обработки, преобразования и интерпретации полученных данных (далее - интерфейсная система 3), которая реализована в виде ПК с общим и прикладным программным обеспечением, включающим расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. После этого НДС в окрестности измерительной скважины 1 измеряют путем выбуривания разгрузочной скважины 4 (см. фиг. 2). Причем измерительную скважину 1 и разгрузочную скважину 4 бурят с постоянным контролем их взаимного расположения в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины 1. Бурение разгрузочной скважины 4 параллельно измерительной скважине 1 осуществляют с таким расчетом, чтобы в начальном и конечном положении торец скважины не оказывал влияние на показания измерительного прибора 2. Для этого измерительный прибор 2 устанавливают так, чтобы он находился в средней зоне выбуренного сплошного участка. Происходящие при этом радиальные смещения стенок измерительной скважины 1 регистрируют измерительным прибором 2 по нескольким, как минимум, по четырем, разноориентированным измерительным направлениям и определяют разностью между начальными (до нагружения) и конечными (после нагружения) показаниями измерительного прибора 2. При бурении разгрузочной скважины 4 производят автоматическую регистрацию величин радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 по измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения. После завершения бурения разгрузочной скважины 4 и установки в ней нагрузочного устройства 5, например, гидродатчика, на глубине установки измерительного прибора 2 в измерительной скважине 1, производят равномерное нагружение давлением стенок разгрузочной скважины 4 с последующей разгрузкой этой скважины и одновременной автоматической регистрацией в указанной интерфейсной системе 3 соответствующих измеренных величин радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 и давления датчиком давления 6, размещенного в корпусе нагрузочного устройства 5 (см. фиг. 3). Нагрузочное устройство 5 служит для создания напряжения в параллельной разгрузочной скважине 4 путем подачи гидравлической жидкости внутрь нагрузочного устройства 5 под давлением и равномерным нагружением давлением стенок разгрузочной скважины 4. Измерение радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 производят в режиме реального времени. Установку и ориентацию измерительного прибора 2 на выбранном участке в измерительной скважине 1 выполняют с помощью досылочных штанг (на фиг. 1-3 не показаны). Далее с помощью компьютерной программы в интерфейсной системе 3 в автоматическом режиме производят вычисление комплексной упругой характеристики массива горных пород и определение НДС, с предварительной оценкой качества полученных результатов в рамках принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород, непосредственно в месте проведения измерений. После определения НДС, при положительной оценке качества полученных данных в процессе нагружения давлением стенок разгрузочной скважины 4, производят инструментальный контроль взаимного расположения измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4 в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины 1, и визуальный контроль на экране ПК изменений их взаимного расположения в процессе бурения. Затем, по результатам определения фактического взаимного расположения измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4, в случае нарушения их параллельности, уточняют величину комплексной упругой характеристики массива горных пород в месте проведения измерений с учетом фактической геометрии скважин путем введения дополнительных экспериментальных данных в расчетную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. Величины действующих напряжений массива горных пород определяют в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины 1. Процесс измерения в режиме реального времени величин радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 останавливают в тот момент, когда указанным измерительным прибором 2 регистрируют их скачкообразные изменения. С помощью компьютерной программы в указанной интерфейсной системе 3 в автоматическом режиме используют полученные величины радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 для предварительной оценки результатов определения НДС непосредственно в месте его проведения и сравнивают их с ранее полученными соответствующими данными в предыдущем месте проведения измерений. По результатам сравнения принимают решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС массива горных пород по всей глубине измерительной скважины 1. После завершения всех операций измерительный прибор 2 досылают в новое положение с помощью досылочных штанг (на Фиг. 1-3 не показаны), ориентируя одну из измерительных пар измерительного прибора 2 вертикально, и осуществляют второй цикл измерения и т.д. Максимальная глубина измерения НДС достигает 10 м от контура выработки и зависит, главным образом, от качества бурения измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4. В случае нарушения соосности при бурении измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4 они могут расходиться с глубиной на расстояние, при котором сигнал нагружения уже не регистрируется измерительным прибором 2, либо сходится вплоть до пересечения. Предварительную оценку схождения (расхождения) измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4 можно осуществлять в процессе зондирования массива нагрузочным устройством 5. Окончательный контроль взаимного положения измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4 производят после завершения исследований НДС путем геодезических измерений на всех глубинах установки измерительного прибора 2 в массиве горных пород. Схема расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород в предлагаемом способе основана на решении задачи теории упругости о НДС плоскости с двумя круговыми отверстиями, т.к. характер деформации контура измерительной скважины 1 не зависит от осевой компоненты напряжений и определяется только величинами и ориентацией напряжений в плоскости измерений. По результатам одного замера определяют три компоненты напряжений в плоскости, перпендикулярной оси измерительной скважины 1. Уровень технологической разработки предлагаемого способа и технической реализации (использование скважинного цифрового многокомпонентного деформометра с измерениями величин радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 не менее, чем в четырех направлениях), выделяет его из ряда существующих методов. Прежде всего, это касается возможности предлагаемого способа при каждом конкретном измерении получать ответ о соответствии принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород реальному поведению массива горных пород, определять его параметры (упругие константы массива), а также оценивать погрешность полученных результатов в рамках принятой расчетной упругой геомеханической модели поведения исследуемого массива горных пород, т.е. оценивать методические погрешности измерения, что позволяет использовать его в качестве тестового метода по отношению к другим методам. Технические средства предлагаемого способа представляют собой высоконадежные измерительные и вычислительные устройства с датчиками, рассчитанными для работы в широком диапазоне температур (от -15°С до +40°С), влажности и вибрационных нагрузок. Основу измерительного прибора 2 составляют, например, многоканальные модули фирмы "ADVANTECH". Питание осуществляют от аккумулятора 12 в. В качестве ПК используют, например, переносной компьютер типа Notebook с возможностью работы от автономного питания в течение 6-8 часов. Программное обеспечение интерфейсной системы 3 реализовано с возможностью автоматизации всего процесса проведения экспериментов - от автоматизации ввода исходных данных, оперативного контроля проведения опыта до математической обработки результатов на месте в полевых условиях. Программное обеспечение в части регистрации измеряемой информации может быть реализовано, например, на основе современного пакета графического программирования LABView американской фирмы National Instruments, включающего все необходимые средства автоматизации ввода аналоговой и дискретной информации, математической обработки результатов, с возможностью подключения различных внешних устройств и развитых средств отображения графической деформации. Подготовка технических средств к проведению эксперимента сводится к подключению разъемов датчика давления к нагрузочному устройству 5 и измерительного прибора 2, выполненного, например, в виде цифрового скважинного четырех- или восьмикомпонентного деформометра, к блоку разъемов и выполнению следующих подготовительных процедур:

- ввод исходных данных, характеризующих условия и режим проведения эксперимента;

- режим работы измерительного прибора 2 и нагрузочного устройства 5 до стабилизации их показаний;

- режим калибровки датчиков в измерительном приборе 2 производят в случае обнаружения отклонений его показаний от эталонных значений или в случае замены датчиков;

После выполнения подготовительных процедур задают тип эксперимента:

- бурение разгрузочной скважины 4;

- нагружение разгрузочной скважины 4;

- полный цикл, объединяющий оба варианта.

При этом предусмотрены два режима проведения эксперимента - автоматический и ручной. В автоматическом режиме данные регистрируют в заданных пределах (по времени - для первого типа эксперимента, по заданному верхнему и нижнему пределу - для второго типа эксперимента) и опыт заканчивают автоматически. В ручном режиме задают нижнее значение (времени или давления), а верхнее значение определяют в зависимости от результатов хода эксперимента, отображаемого на экране ПК в виде графиков «деформация-давление» (первый тип эксперимента) или «деформация-время» (второй тип эксперимента) (см. фиг. 4). На фиг. 5 показаны графики зависимости «деформация-нагрузка» по измерительным направлениям при изменении давления в нагрузочном устройстве 5, выполненном в виде, например, гидродатчика, расположенного в разгрузочной скважине 4.

Данная процедура дает возможность экспериментатору своевременно остановить опыт в случае отклонения показаний измерительного прибора 2 от прогнозируемых величин по причине наличия трещины в массиве, недопустимого сближения измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4 или появления излома кривой «деформация-нагрузка» вследствие неупругих деформаций, т.е. наличия междускважинной перемычки. Программное обеспечение интерфейсной системы 3 представляет собой систему модулей, каждый из которых выполняет свои функции обработки данных. Особое внимание обращено на разработку модулей предварительной обработки данных с целью уменьшения влияние помех измерения сигналов от высокочувствительных датчиков измерительного прибора 2. Кроме того, оно создано для работы в интерактивном режиме (режиме подсказок) с учетом того, что пользователи не всегда хорошо знакомы со всеми тонкостями проводимых экспериментов. Интерактивный режим позволяет реализовывать различные варианты проведения конкретных экспериментов без использования дополнительных инструкций для пользователя, помогает правильно вводить нужные данные и контролировать допустимые пределы их изменения. Режим подсказок значительно упрощает работу экспериментатора, увеличивает точность измерений и производительность выполнения эксперимента. Собственно математическую обработку результатов измерений выполняют в следующей последовательности: по разности конечных и начальных отсчетов определяют величины радиальных смещений, вызванных в одном случае бурением разгрузочной скважины 4, а в другом - ее искусственным нагружением давлением. При определении НДС массива горных пород вычисление модуля Gк упругости и компонент главных напряжений на участке измерений осуществляют с использованием соответствующих теоретических зависимостей радиальных смещений стенок измерительной скважины 1 от всестороннего равномерного давления на стенки соседней разгрузочной скважины 4, а также вызванные ее выбуриванием с учетом геометрических размеров и взаимного расположения измерительной 1 и разгрузочной 4 скважин. Экранная форма результатов вычислений модуля Gк упругости и статистические оценки погрешности его определения показаны на фиг. 6. Графики «давление-деформация» при определении модуля Gк упругости массива горных пород (см. фиг. 5) свидетельствуют о линейной зависимости. Результаты определения компонент главных напряжений при данном модуле Gк упругости показаны на фиг. 7. Здесь же приведены среднеквадратические отклонения вычисленных компонент главных напряжений.

Важным достоинством предлагаемого способа является возможность предварительной оценки результатов экспериментов непосредственно на месте его проведения и сравнение их с ранее полученными данными, что позволяет оперативно принять решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС по всей глубине измерительной скважины 1.

Результатом натурного эксперимента являются файлы данных эксперимента, в которых содержится информация об измерительной скважине 1 и разгрузочной скважине 4, дате и времени проведения эксперимента, диаметрах измерительной скважины 1 и разгрузочной скважины 4, углах наклона измерительных направлений относительно вертикальной плоскости в месте измерения радиальных смещений стенок измерительной скважины 1. Результаты измерений представляют в табличной и графической форме и выполняют, например, в программе MS Excel.

Таким образом, предлагаемый способ определения НДС массива горных пород методом параллельных скважин в зоне ведения добычных работ позволяет в режиме реального времени получить инструментальным путем важные для контроля и прогнозирования количественные показатели процесса деформирования массива горных пород на контролируемом участке, а именно:

1. Вводить характеристики эксперимента;

2. Оперативно наблюдать за радиальными смещениями стенок измерительной 1 и разгрузочной 4 скважин численно на графике на экране ПК;

3. Оперативно управлять процессом эксперимента;

4. Проводить экспресс-анализ и сравнение с ранее полученными результатами измерений радиальных смещений стенок измерительной скважины 1, оперативно обнаруживать резкие изменения ее профиля и, тем самым, выявлять местоположение зон локализации напряжений (критических зон) массива горных пород. Кроме того, интерактивный режим работы позволяет реализовывать различные варианты проведения конкретных экспериментов без использования дополнительных инструкций для пользователя, помогает правильно вводить нужные данные и контролировать допустимые пределы их изменения. Режим подсказок значительно упрощает работу экспериментатора, увеличивает точность измерений и производительность выполнения эксперимента.

5. Важным достоинством предлагаемого способа является возможность предварительной оценки результатов эксперимента непосредственно на месте его проведения и сравнение их с ранее полученными данными, что позволяет оперативно принять решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС по глубине измерительной скважины 1.

Способ определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) массива горных пород методом параллельных скважин, при котором на контролируемом участке бурят измерительную скважину, устанавливают в неё измерительный прибор, с помощью которого измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины, бурят разгрузочную скважину параллельно измерительной скважине, а после завершения бурения разгрузочной скважины в неё устанавливают нагрузочное устройство, с помощью которого нагружают стенки разгрузочной скважины равномерным давлением, после чего измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины, и по зависимости величин радиальных смещений стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины, определяют упругие характеристики массива горных пород, по которым определяют НДС массива горных пород в месте проведения измерений, отличающийся тем, что места установки указанного измерительного прибора в измерительной скважине определяют по результатам анализа выбуренного из неё керна, а также с помощью видеосъёмки или эндоскопического исследования состояния поверхности её стенок, при этом установку указанного измерительного прибора производят на участках сплошного массива без нарушений сплошности поверхности стенок измерительной скважины и при отсутствии в ней трещин, причём при установке измерительного прибора выполняют его ориентацию в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, относительно выбранной системы координат в месте проведения измерений с помощью дополнительно введённого датчика ориентации, размещённого в корпусе указанного измерительного прибора, причём при измерении используют измерительный прибор с цифровым устройством и возможностью автоматической регистрации и передачи данных в виде цифрового сигнала в режиме реального времени из места проведения измерений в интерфейсную систему сбора, хранения, обработки, преобразования и интерпретации полученных данных в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением, включающим расчётную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме, при этом измерение величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и их автоматическую регистрацию в режиме реального времени производят как минимум по четырём разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения, а равномерное нагружение давлением стенок разгрузочной скважины нагрузочным устройством, на глубине установки указанного измерительного прибора, производят с последующей разгрузкой этой скважины и одновременной автоматической регистрацией в указанной интерфейсной системе соответствующих измеренных величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и давления, причём определение комплексной упругой характеристики массива горных пород, с предварительной оценкой качества полученных данных в рамках принятой расчётной упругой геомеханической модели поведения массива горных пород, производят путём вычисления её с помощью компьютерной программы в указанной интерфейсной системе в автоматическом режиме непосредственно в месте проведения измерений, а после определения НДС, при положительной предварительной оценке качества полученных данных в процессе нагружения давлением стенок указанной разгрузочной скважины, производят инструментальный контроль взаимного расположения указанных измерительной и разгрузочной скважин в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, и визуальный контроль на экране ПК изменений их взаимного расположения в процессе бурения, затем по результатам определения фактического взаимного расположения указанных скважин, в случае нарушения их параллельности, уточняют величину комплексной упругой характеристики массива горных пород в месте проведения измерений с учётом фактической геометрии скважин путём введения дополнительных экспериментальных данных в расчётную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме, а величины действующих напряжений массива горных пород определяют в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, причём процесс измерения в режиме реального времени величин радиальных смещений стенок измерительной скважины останавливают в тот момент, когда указанным измерительным прибором регистрируют их скачкообразные изменения, при этом с помощью компьютерной программы в указанной интерфейсной системе в автоматическом режиме используют полученные величины радиальных смещений стенок измерительной скважины для предварительной оценки результатов определения НДС непосредственно в месте его проведения и сравнивают их с ранее полученными соответствующими данными в предыдущем месте проведения измерений, по результатам сравнения принимают решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС массива горных пород по всей глубине измерительной скважины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оценки безопасного ведения горных работ под водными объектами, такими как реками, озерами, искусственными водоемами, водоносными горизонтами и др.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения сопротивляемости горных пород хрупкому разрушению. Способ включает воздействие на горную породу твердосплавным индентором с последующей фиксацией усилия в момент хрупкого разрушения породы.

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях.

Изобретение относится к способу определения опорных параметров переходной опоры для очистного забоя смешанного типа при использовании закладки и механизированной опоры.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для имитации проявления горного давления в выработках, закрепленных анкерной крепью.

Изобретение относится к горному делу, а именно к области проведения изыскательских работ, направленных на определение физико-механических характеристик горных пород.

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям скальных и полускальных горных пород, имеющих хрупкий характер разрушения, и может быть использовано для оценки их водопрочности при инженерно-геологических изысканиях.

Изобретение относится к горной промышленности. Составляют проект на производство буровых и взрывных работ.

Изобретение относится к способу определения текущей водонасыщенности однородных песчаников на центрифуге без стробоскопического устройства. Согласно способу отбирают керн и изготавливают образцы цилиндрической формы.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для прогноза динамических явлений типа внезапного выброса угля и газа, горного удара и им подобных.

Изобретение относится к горному делу, а именно способу оценки напряжений массива горных пород методом параллельных скважин, предназначено для определения напряжённо-деформированного состояния массива горных пород на угольных и рудных месторождениях, а также бетонного массива и может быть использовано для оценки и прогноза устойчивости горных выработок при производстве добычных работ. Согласно способу на контролируемом участке бурят измерительную скважину, устанавливают в неё измерительный прибор, с помощью которого измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины. Бурят разгрузочную скважину параллельно измерительной скважине, а после завершения бурения разгрузочной скважины в неё устанавливают нагрузочное устройство, с помощью которого нагружают стенки разгрузочной скважины равномерным давлением, после чего измеряют величины радиальных смещений стенок измерительной скважины и по зависимости величин радиальных смещений стенок измерительной скважины от давления, приложенного к стенкам разгрузочной скважины, определяют упругие характеристики массива горных пород, по которым определяют НДС массива горных пород в месте проведения измерений. При этом места установки измерительного прибора в измерительной скважине определяют по результатам анализа выбуренного из неё керна, а также с помощью видеосъёмки или эндоскопического исследования состояния поверхности её стенок. Установку измерительного прибора производят на участках сплошного массива без нарушений сплошности поверхности стенок измерительной скважины и при отсутствии в ней трещин. При установке измерительного прибора выполняют его ориентацию в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины. При измерении используют измерительный прибор с цифровым устройством и возможностью автоматической регистрации и передачи данных в виде цифрового сигнала в режиме реального времени из места проведения измерений в интерфейсную систему сбора, хранения, обработки, преобразования и интерпретации полученных данных в виде персонального компьютера с общим и прикладным программным обеспечением, включающим расчётную упругую геомеханическую модель поведения исследуемого массива горных пород в цифровой форме. Измерение величин радиальных смещений стенок измерительной скважины и их автоматическую регистрацию в режиме реального времени производят как минимум по четырём разноориентированным измерительным направлениям с инструментальным и визуальным контролем на экране ПК их изменений в процессе бурения, а равномерное нагружение давлением стенок разгрузочной скважины нагрузочным устройством. Определяют комплексную упругую характеристику массива горных пород, с предварительной оценкой качества полученных данных. После определения НДС, при положительной предварительной оценке качества полученных данных в процессе нагружения давлением стенок указанной разгрузочной скважины, производят инструментальный контроль взаимного расположения указанных измерительной и разгрузочной скважин в плоскости, перпендикулярной продольной оси измерительной скважины, и визуальный контроль на экране ПК изменений их взаимного расположения в процессе бурения. По результатам определения фактического взаимного расположения указанных скважин, в случае нарушения их параллельности, уточняют величину комплексной упругой характеристики массива горных пород в месте проведения измерений с учётом фактической геометрии скважин. Процесс измерения в режиме реального времени величин радиальных смещений стенок измерительной скважины останавливают в тот момент, когда измерительным прибором регистрируют их скачкообразные изменения. С помощью компьютерной программы в интерфейсной системе в автоматическом режиме используют полученные величины радиальных смещений стенок измерительной скважины для предварительной оценки результатов определения НДС непосредственно в месте его проведения и сравнивают их с ранее полученными соответствующими данными в предыдущем месте проведения измерений. По результатам сравнения принимают решение о целесообразности дальнейшего проведения исследований НДС массива горных пород по всей глубине измерительной скважины. Технический результат - повышение точности определения местоположения зон локализации деформаций. 7 ил.

Наверх