книги / Горное давление, сдвижение горных пород и методика маркшейдерских работ. Общие методические положения комплексного исследования проблем горной геомеханики

34. К р у п е н н и к о в Г. А. Методы изучения горного давления и его проявлений. Энциклопедический справочник «Горное дело», т. 5,

ний поверхности объемной модели теневым методом. Труды ВНИМИ,

вивалентных материалов в исследованиях вопросов механики горных пород. Труды ВНИМИ, сб. 76, Л., 1970.

№11.

42.М а л ы ш е в Л. К- Исследования динамического напряженного

состояния разных конструкций методом фотоупругости. «Строительная механика и расчет сооружений.» 1963, № 5.

43. М а т в е е в В. А. н др. Измерение деформаций и напряжения в моделях из эквивалентных материалов. Труды ШАХТНИУИ, вып. 6, Шахты, 1967.

44.Методические указания по изготовлению моделей из оптическичувствительных материалов для исследования проявлений горного дав­ ления. Изд. ВНИМИ, Л., 1970.

45.Методические указания по измерению деформаций в моделях из эквивалентных материалов с помощью деформометров Д —2 и блоч­

ных тензометров ТБ—1. Изд. ВНИМИ, Л., 1961.

46.Методические указания по постановке исследований сдвижения горных пород на моделях. Изд. ВНИМИ, Л., 1964.

47.Методы исследования напряжений. Сб. изд. «Наука», 1965.

ствии горизонтальной нагрузки. Труды ЛИИЖГ'а, сб. 241, иЗд. «Транс­

54.Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. М., Сб. «Наука», 1965.

55.Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. Труды конференции, Изд. ЛГУ, Л., 1960.

56.Поляризационно-оптический метод исследования напряжений. Труды конференции. Изд. ЛГУ, Л., 1966.

57. П о п о в В. Л., К а ц н е л ь с о н А. Ш. Измерение напряжений

в моделях из эквивалентных материалов. Труды ПНИУИ, сб. 10, М., 1966.

110

Г л а в а IV

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СОСТОЯНИИ И ПРОЦЕССОВ В МАССИВАХ ГОРНЫХ ПОРОД

§14. Методы и аппаратура для исследования статических напряжений в массивах горных пород

Исследование напряженного состояния массива горных пород является одним из основных этапов комплексного изучения проявле­ ний горного давления при решении многих задач по совершенство­ ванию подземной разработки разнообразных полезных ископаемых (установление оптимальных размеров камер и целиков при камерных системах разработки, управление горным давлением в очистных и подготовительных выработках при подземной и открытой разработ­ ке, изучение природы и механизма горных ударов и др.). Для одного типа задач необходимо знать абсолютные значения напряжений; в другие случаях — качественную характеристику напряженного со­ стояния и изменение его во времени. Особо актуальным для многих задач является экспериментальное установление соотношения между горизонтальными и вертикальными напряжениями в • нетронутом массиве. Не менее важно знание распределения напряжений и де­ формаций вокруг горных выработок.

Исследование статических или медленно изменяющихся напря­ жений в массивах горных пород производится методами: разгрузки (полной или частичной); компенсационной нагрузки; разности дав­ лений; упругих динамометров; измерения деформаций стенок буро­ вых скважин; геофизическими методами и др.

Выбор того или иного метода и аппаратуры для изучения на­ пряженного состояния массива горных пород должен осущест­ вляться с учетом следующих факторов:

1)целей исследований (например, получение абсолютных вели­ чин напряжений, исследование изменения напряженного состояния массива во времени, качественная оценка напряженного состояния массива и т. д.);

2)физико-механической характеристики породного массива (прочность, деформируемость, трещиноватость, анизотропия свойств,

влажность и т. д .);

3)требуемой точности и надежности измерений;

4)длительности измерений;

5)трудоемкости проведения исследований.

И З

Метод разгрузки.

Метод разгрузки основан на использовании характеристик уп­ ругого восстановления деформаций элемента массива при искус­ ственном нарушении его связи с основным массивом (например, выбуривание керна) [37]. Этот метод может применяться для по­ род достаточной прочности, сохраняющих форму элемента после нарушения его связи с массивом и обладающих упругими свойства­ ми. В условиях сыпучих или сильно пластичных пород этот метод не может быть применим.

Исследования по определению напряженного состояния массива сводятся к измерению упругих деформаций при разгрузке от напря­ жений элемента массива и последующему вычислению напряжений по формулам теории упругости.

Метод разгрузки осуществляется по трем различным принци­ пиальным схемам с измерением деформации:

—упругого восстановления торца скважины при выбуривании керна (схема ВНИМИ) [72, 9, 47 и др.];

—диаметра центрального отверстия в выбуриваемом керне (схема Хаста) [97, 73, 84], когда сначала бурится скважина мало­

го диаметра, в которой устанавливается тензометр, а затем кольце­ вой коронкой большого диаметра выбуривается керн в виде полого цилиндра;

гого аналитического решения пространственной задачи определения напряжений в массиве по измеренным деформациям упругого вос­ становления забоя скважины. Определение напряжений осущест­ вляется по формулам для плоского напряженного состояния с уче­ том коэффициента концентрации напряжений на торцевой поверх­ ности забоя скважины, который устанавливается эксперименталь­ ным путем на образцах (блоках) горных пород и на объемных мо­ делях из оптически активных материалов.

Исследована концентрация напряжений на забое скважины при гидростатическом напряженном состоянии [47]. В настоящее время во ВНИМИ проводятся исследования влияния вида напря­ женного состояния массива на концентрацию напряжений на забое скважины. Однако пока нет обоснованного решения о переходе от измеренных на торце керна деформаций к напряжениям в массиве при любом исходном напряженном состоянии.

Д л я с х е м ы Х а с т а напряжения определяются по формулам, полученным из решения задачи Кирша, либо на основании тари­ ровок измерительного датчика в специальной призме [97].

Данная схема применима в тех случаях, когда известно одно из главных напряжений, в направлении которого бурится измери­ тельная скважина.

114

С х е м а Л и м а н а предложена для определения трех главных напряжений из одной скважины, что не представляется возможным осуществить при первых двух вариантах. Однако для окончатель­ ного решения вопроса о надежности получаемых результатов по этой схеме необходим^ экспериментальная проверка некоторых до­ пущений, заложенных в ней.

В техническом исполнении две последних схемы более трудоемки, чем схема ВНИМИ и требуют выбуривания монолитного керна зна­ чительных диаметров и длины, что не всегда возможно, особенно в трещиноватых породах.

Методика определения напряжений в массиве методом разгруз­ ки заключается в следующем:

1) бурится скважина определенного диаметра до места, в ко­ тором необходимо определить напряжения;

2) торцу скважины придается определенная форма (при схеме ВНИМИ) или в центре забоя скважины бурится опережающая скважина меньшего диаметра (при схемах Хаста и Лимана);

3)в центральной части торца скважины или на стенке опере­ жающей скважины устанавливается тензометр;

4)при помощи кольцевой коронки выбуривается керн;

5)измеряются деформации торца скважины или изменения диа­ метра опережающей скважины при выбуривании керна или дефор­ мации стенки опережающей скважины;

6)по .измеренным деформациям и определенным на образцах

пород значениям модуля упругости и коэффициента Пуассона вы­ числяются напряжения в массиве.

Вкомплект оборудования и аппаратуры для определения на­ пряжений методом разгрузки по схеме ВНИМИ входят: буровой станок, тензометр, досылочное устройство для установки тензомет­ ра на забое скважины и отсчетная станция.

Взависимости от крепости пород применяются различные бу­ ровые станки и буровое оборудование. Для слабых и средней

прочности горных пород (уголь, горючие сланцы, казенная соль и др.) во ВНИМИ разработаны специальные буровые станки БС-1, МС—6, и МС—7, позволяющие бурить скважины диаметром до 200 мм на глубину до 15—20 м. При применении метода разгрузки

вкрепких и весьма крепких горных породах (известняки, диориты

ит. д.) используют серийно выпускаемые буровые станки ГП—1,

БА—100 и др.

Сообразуясь с теми задачами, которые должны решаться на основе использования напряжений, определенных методом разгруз­ ки, выбираются местоположения и направления скважин (см. гла­ вы VI—XI).

Для бурения скважин, придания забою скважины необходи­ мой формы и для кольцевого выбуривания керна при разгрузке от

115

напряжений применяются как алмазные коронки (для крепких и весьма крепких пород), так и коронки, армированные твердым сплавом.

Диаметр скважины (при схеме ВНИМИ) определяется исходя из оптимальной базы тензодатчиков и должен быть в четыре раза боль­ ше этой базы [47]. Как показали испытания, для большинства крепких и весьма крепких пород оптимальная база тензодатчиков составляет 15 мм.

Измерение упругих деформаций разгрузки забоя скважины при выбуривании керна кольцевой коронкой производится комплектом измерительной аппаратуры, состоящим из тензометра, устанавливливаемого на забое скважины и огсчетной станции (рис. 15).

Вкачестве измерительного элемента в тензометре применяется розетка из трех проволочных тензодатчиков сопротивления, опре­ деленным образом ориентированных, что позволяет определять ве­ личины и направления главных напряжений в плоскости забоя скважины [19, 67].

Внастоящее время применяются два типа тензометров.

Первый тип — с приклеиванием розетки проволочных тензодат­ чиков сопротивления к забою скважины.

Второй тип — с прижатием розетки проволочных тензодатчи­ ков к забою скважины.

Для крепления тензометров первого типа на забое скважины применяется клей на основе эпоксидной смолы (ЭД—5 или ЭД—6) с добавкой отвердителя полиэтиленполиамина. Эти тензометры яв­ ляются герметичными, позволяющими производить выбуривание керна кольцевой воронкой с промывкой водой.

В последнее время в исследованиях ИГД МЧМ СССР и ВНИМИ для приклеивания тензометра на забой скважины широко исполь­ зуется клей циакрин «ЭО» со специальным наполнителем «аэросил 380». При применении этого клея измерение деформаций можно производить через 30—40 минут после прижатия тензо­ метра к забою [78, 50].

В тензометрах второго типа использовано свойство проволоч­ ного тензодатчика сопротивления воспринимать деформации за счет трения при прижатии его к деформируемому материалу. Для по­ род слабых и средней прочности во ВНИМИ разработан тензометр ДМ—6, тензодатчики сопротивления которого прижимаются к тор­ цу скважины за счет сжатия резиновых подушечек. Тензометр удер­ живается в прижатом состоянии специальным анкерным устрой­ ством, распирающимся в опережающем отверстии [72]. Для креп­ ких и весьма крепких пород применяется специальный тензометр с прижатием тензодатчиков к забою скважины посредством рези­ новой подушки. Фиксация прижатия достигается клеевым кольце­ вым швом из эпоксидного клея по периферии тензометра [47].

116

В опытном порядке проведены работы по применению фотоупругих тензометров (оптических датчиков) в комплекте с поляриско­ пами горнометаллургическим институтом Кольского филиала АН

СССР, ИГД им. А. А. Скочинского [88] и ИГД МЧМ СССР [78]. Результаты этих работ указывают на перспективность применения оптических датчиков.

Установка тензометров в центре забоя скважины и его ориен­ тировка в заданном положении обеспечиваются обычно с помощью специальных досылочных устройств.

В качестве отсчетной станции применяется взрывобезопасный гальванометр ВНИМИ СБ—8 [26], а также серийно изготовляе­ мая тензометрическая аппаратура необходимой чувствительности (например, МИД—2 ИГД СО АН СССР, ВСТ—4 УПИ им. С. М. Ки­ рова, ИСД—3 ЦКБ АН СССР и др. [94].

Характер изменения деформаций упругого восстановления за­ боя скважины по мере увеличения длины выбуриваемого керна в некоторой степени может служить показателем надежности изме­ рений. Поэтому в процессе разгрузки при применении проволочных тензодатчиков необходимо через каждый сантиметр подвигания кольцевой коронки производить измерение деформаций. Конечная длг-: зыбуриваемого керна при этом должна быть не меньше его ДИс;Л>с1ра.

Надежность определяемых напряжений по методу разгрузки в значительной степени зависит от представительности принятых зна­ чений модуля упругости и коэффициента Пуассона. Во многих слу­ чаях эти упругие характеристики могут резко изменяться по длине скважины. В подобных случаях целесообразно определять их на тех же кернах, на которых определялись деформации упругого вос­ становления.

Поскольку напряжения в сильно трещиноватых массивах резко изменяются от точки к точке, расстояния по длине скважины между местами измерений напряжений должны приниматься минимально возможными (0,2—0,5 м). В отдельных ответственных случаях эти измерения следует производить по нескольким близко расположен­ ным (0,5—.1,0 м) параллельным скважинам.

При определении величин и направлений главных напряжений в нетронутом массиве количество скважин и их направление прини­ мается следующими:

Если направление одного из главных напряжений известно и оно является вертикальным, то достаточно провести измерение на­ пряжений как максимум по трем взаимноперпендикулярным сква­ жинам (двум горизонтальным и одной вертикальной). В этом слу­ чае сначала определяются значения и направления главных гори­ зонтальных напряжений на забое вертикальной скважины, а затем определяется величина вертикального и горизонтальных напряжений

118

по горизонтальным скважинам, направление которых должно сов­ падать с направлениями главных горизонтальных напряжений.

Когда направления всех главных напряжений неизвестны, тогда целесообразно произвести определение напряжений в забоях не­ скольких (до шести) скважин, три из которых ориентируются по

Современное состояние технических средств для метода разгруз­ ки позволяет определять напряжения в породном массиве горных пород на удалении до 20—30 м от горной выработки.

Метод разгрузки по схеме ВНИМИ широко применяется как в

СССР, так и за рубежом. В СССР этот метод используется также для определения изменения напряженного состояния массива горных пород во времени на основе многократных измерений напряжений в одних и тех же участках этого массива (например, изучение из­ менения во времени нагрузки на междукамерные целики [52]).

Метод разгрузки по схеме Хаста применяется в основном за рубежом. Используемая при этом аппаратура и методика опреде­ ления напряжений достаточно полно освещены в работах Н. Хаста [97], Е. Лимана [99], К. Терцаги [84], Л. Оберта [104]. В послед­ нее время в СССР проводятся работы по совершенствованию из­ мерительной аппаратуры для схемы Хаста (разработка трехкомпо­ нентных тензометров и др.) и опытному ее применению (ВНИМИ, НИГРИ, ИГД СО АН СССР) [73].

Схема Лимана находится в стадии экспериментальной проверки. В отличие от описанного выше метода полной разгрузки, кото­ рый применяется для определения напряжений как в глубине мас­ сива, так и на обнаженной поверхности выработки, в некоторых случаях используется м е т о д ч а с т и ч н о й р а з г р у з к и для определения напряжений на поверхности выработки [83, 69]. Этот метод аналогичен давно применяемому методу определения напря­ жений в элементах металлических конструкций. Сущность его за­ ключается в следующем. На плоской площадке стенки или кровли выработки бурится скважина малого диаметра в нормальном на­ правлении к площадке. В результате бурения скважины изменяется напряженное состояние пород в непосредственной близости от сква­ жины. По деформациям горных пород, обусловленным изменением напряженного состояния определяются значения действовавших до

бурения скважины напряжений.

Применение метода частичной разгрузки перспективно лишь при решении небольшого числа задач горной геомеханикн (при изуче­ нии природы и механизма стреляния горных пород, определении

* Контрольные