Измерение напряжений методом деформаций стенок наблюдательных скважин (метод буровых скважин)

Лекция №10

Измерение напряжений методами: разности давлений и компенсационной нагрузки

Измерение напряжений методом деформаций стенок наблюдательных скважин

Метод разности давлений

Метод разности давлений основан на применении гидравлических датчиков для создания в измерительной скважине определенного уровня давления, которое принимают за начальное. По изменению давления в гидросистеме оценивается приращение напряжений, вызванное 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 маслопровода. Схема датчика представлена на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема гидравлического датчика: 1 – толстостенная резиновая оболочка; 2 – запирающие шайбы; 3 – стягивающий стержень; 4 - штуцер 40

Для создания в гидросистеме давлений до 16 МПа предназначена маслостанция. Масло подается к гидравлическому датчику посредством 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 гидросистеме, которое уравновешивается давлением массива горных пород в окрестностях гидравлического датчика.

Суть измерений сводится к следующему. С поверхности обнажения в массив бурится измерительная скважина, в которой на определенной глубине устанавливается гидравлический датчик, присоединенный посредством маслопровода к манометру и маслостанции. С помощью указанной маслостанции в гидросистеме создается давление в 10-15 МПа, после чего ее отсоединяют от гидросистемы. При этом на манометре фиксируется определенный уровень давления. При последующем изменении напряженного состояния массива в окрестностях точки измерения давление в гидросистеме изменится, что возможно зафиксировать с помощью установленного манометра.

Общая схема проведения измерений приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Общая схема проведения измерений методом разности давлений: 1 - измерительная скважина; 2 - гидравлический датчик; 3 – маслопровод; 4 – манометр; 5 – маслостанция; 6 - массив горных пород

Описанный выше метод нашел широкое применение при разработке угольных пластов с низкой устойчивостью, подверженных внезапным выбросам и горным ударам. Метод отличается простотой и точностью определения приращения напряжений, нормальных к поверхности скважины, однако не позволяет определить абсолютные значения напряжений, действующих на рассматриваемом участке массива.

Метод компенсационной нагрузки

Метод компенсационной нагрузки основан на определении напряжений при восстановлении упругой деформации, возникающей при разгрузке, которая компенсируется путем напряжения разгруженной части массива до своего первоначального напряженного состояния. При этом нет необходимости определять упругие характеристики пород.

Сущность измерений напряжений по данному методу состоит в следующем (рис. 1.14).

На обнаженной поверхности площадью до 1—2 м²устанавливают несколько тензометрических датчиков, расположенных на таком расстоянии друг от друга, чтобы была возможность независимо регистрировать деформации массива в различных направлениях. После снятия начальных показаний с датчиков в массиве создают горизонтальные щели-врубы, а затем и вертикальные, или одновременно те и другие, которые частично разгружают породный массив. Находящиеся в пределах действия разгрузки датчики регистрируют определенные деформации.

Рис. 1.14. Схема измерений по методу компенсационной нагрузки: 1 — тензодатчнкп; 2 — разгруженная зона пород; 3 — гидроподушка; 4 — цемент; 5—манометр; б—ручной гидронасос

Затем в щель (или в щели) устанавливают нагрузочное устройство, которое обеспечивает восстановление первоначального напряженного состояния участка массива. В качестве нагрузочного устройства обычно используют гидравлические подушки. Гидравлическая подушка представляет собой металлическую коробку, связанную через гидросистему с гидронасосом. Обычно гидравлические подушки имеют размеры от 300 х 300 х 30 до 600 х 600 х 60 мм. Максимальное давление, создаваемое этими устройствами, составляет 50-70 МПа. Зная величину нагрузки и площадь ее приложения, вычисляют напряжение, действующее в массиве перпендикулярно разгрузочной щели.

Измерение напряжений методом деформаций стенок наблюдательных скважин (метод буровых скважин)

Большинство осадочных горных пород обладает свойством пол- зучести – способностью к длительным деформациям при напряжениях до 70% от предела прочности. При этом значения деформаций ползучести могут достигать 150 - 370% от упругих. Рост деформаций горных пород во времени при постоянном напряжении называется ползучестью.

Оценка напряжений в массиве горных пород производится путем измерения деформаций ползучести. Для этого из горной выработки вглубь массива бурится измерительная скважина, в которой размещается деформометр, с помощью которого регистрируются деформации 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. В первом случае необходимо после установки динамометра создать в нем начальное пригрузочное давление, в случае напряженного состояния приближенного к гидростатическому, равное γh. В случае если напряженное состояние массива отличается от гидростатического, начальное давление рассчитывают по формуле (1)

где σ_i– наибольшее главное напряжение; λ – коэффициент бокового распора. В пластичных горных породах λ может достигать значений 0,6 – 0,8.

В случае определения приращения напряжений в динамометре создается небольшой дополнительный распор, обеспечивающий прочный контакт динамометра с горной породой. Измерения приращений напряжений производят в трех ортогональных скважинах, направление которых совпадает с направлением главных напряжений в массиве (направление главных напряжений в массиве определяется расчетно, а также геомеханическими или геофизическими методами). Приращение напряжений по осям x, y и z можно рассчитать по формулам (2-4),

где Δσ₁, Δσ₂ и Δσ₃ – величины изменения напряжения в датчиках, рас- положенных соответственно по осям x, y и z; К_у – коэффициент, учи- тывающий упругое взаимодействие датчика и среды.

Наиболее часто при реализации скважинных методов применяются гидравлические датчики. На точность определения напряжений в случае применения гидравлических датчиков оказывает характер контакта оболочки датчика со стенками скважины, а также упругие свойства горного массива. В общем случае относительная погрешность таких измерений составляет не менее 20 – 30%.

В.Л. Шкуратник, П.В. Николенко МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД

Дата добавления: 2018-05-09; просмотров: 395; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!