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.