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