Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения факта достижения значением максимального главного напряжения, действующего на участке массива горных пород, величины, равной или превышающей 0,9 от их предела прочности при сжатии σ_сж.

Известен способ определения напряжений в массиве горных пород, включающий отбор из массива образцов, их механическое нагружение с одновременным определением водонасыщенности, при этом нагрузку, при которой появляется влага из образца, принимают за искомое напряжение в массиве (авторское свидетельство СССР №439604, кл. E21C 39/00, опубл. 15.08.1974).

Недостатком данного способа является то, что он может применяться только для водонасыщенных пород с открытой пористостью и обеспечивает получение интегральных оценок уровня напряжений, не позволяя определять значения составляющих тензора напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения напряжений в массиве горных пород, включающий извлечение из массива образцов в направлении, совпадающем с направлением действия максимального главного напряжения в массиве, тестовом воздействии на каждый из них, в процессе которого измеряют активность акустической эмиссии (патент RU №2339815, кл. E21C 39/00, опубл. 27.11.2008).

Недостатком известного способа является невозможность с его помощью установить факт превышения величиной напряжений в массиве пластичных горных пород критического уровня, равного или превышающего 0,9 от их предела прочности при сжатии (σ_сж) и свидетельствующего о переходе породы в стадию предразрушения.

Отмеченный недостаток обусловлен тем, что известный способ, позволяя определить абсолютное значение действующих в массиве напряжений, не дает возможности определить соотношение этого значения с пределом прочности пластичной горной породы в месте отбора соответствующего образца, поскольку достоверная информация об указанном пределе прочности отсутствует.

Техническим результатом изобретения является определение факта превышения значением максимального главного напряжения, действующего на исследуемом участке массива пластичных горных пород, критического уровня, равного или превышающего 0,9 от их σ_сж, что свидетельствует о переходе породы в стадию предразрушения.

Технический результат достигается следующим образом.

В способе определения напряжений в массиве горных пород, включающем извлечение из массива образцов, ориентированных в направлении действия максимального главного напряжения, тестовое воздействие на каждый из них, в процессе которого измеряют активность акустической эмиссии, в качестве тестового воздействия используют объемное нагревание от 20°C до 570°C и последующее остывание образцов до 140-150°C, определяют отношение амплитуд огибающих активности акустической эмиссии, возникающей при остывании и нагревании, по значению которого судят о достижении напряжением на исследуемых участках массива величины, равной или превышающей 0,9 от σ_сж горной породы, свидетельствующей о переходе последней в стадию предразрушения.

Предлагаемый способ базируется на установленных авторами экспериментально закономерностях акустической эмиссии при нагревании и последующем остывании образцов каменной соли, предварительно подвергнутых в течение 24 часов различной и индивидуальной для каждого образца механической нагрузке. Суть этих закономерностей заключается в зависимости отношения амплитуд огибающих активностей активности акустической эмиссии образцов каменной соли от того, превышает или нет уровень их предварительного нагружения пороговое значение 0,9·σ_сж.

Способ определения напряжений в массиве горных пород иллюстрируется фиг. 1 и фиг. 2, где приведены в качестве примера характерные экспериментально полученные временные распределения 1 и 4 активности N_∑ АЭ, возникающей в ходе тестового воздействия на образцы каменой соли, предварительно испытавшие механические нагрузки свыше или до 0,9 σ_сж. В качестве тестового воздействия используют нагрев и остывание, описываемые зависимостями 2 и 5 температуры геоматериала образцов в функции от времени t. Кривая 3 на фиг. 1 отражает зависимость огибающей активности акустической эмиссии каменной соли, предварительно нагруженной в пределах (0,90-0,95)·σ_сж, а кривая 6 на фиг. 2 отражает зависимость огибающей активности акустической эмиссии для каменной соли, предварительно нагруженной до 0,90·σ_сж.

Зависимости, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2, получены на представительной выборке образцов каменной соли Верхнекамского месторождения, каждый из которых перед термическими испытаниями в течение суток подвергался индивидуальному механическому нагружению до или свыше 0,90·σ_сж. Величина σ_сж и доля σ_сж, соответствующая переходу исследуемой каменной соли на стадию предразрушения, были определены на аналогичных образцах традиционным способом, основанным на деформационных измерениях в ходе механического нагружения.

Способ определения напряжений в массиве горных пород реализуют следующим образом.

Из массива выбуривают керны, ориентированные в направлении действия максимального главного напряжения. Эти керны используют для изготовления образцов, отражающих свойства исследуемых участков массива. На каждом образце подготавливают плоскую поверхность для контакта с кварцевым волноводом диаметром 10 мм, через который осуществляют прием сигналов акустической эмиссии, возникающих при термическом нагружении образца геоматериала. Последовательно каждый из образцов серии помещают в трубчатую печь, например Naberthcrm RT 50/250/11 с контроллером типа Р 320, и проводят его нагрев от комнатной температуры 20°C до 570°C со скоростью около 2,0 град/мин. После достижения образцом указанной максимальной температуры ему дают остыть до 140-150°C. При этом регистрируют активность акустической эмиссии, возникающую в ходе как нагревания, так и остывания образцов, с помощью, например, акустико-эмиссионной измерительной системы A-Line 32D. Затем для каждого из образцов строят огибающую активности акустической эмиссии, выделяют на этой огибающей максимальные амплитуды в области остывания и нагрева. Рассчитывают отношение указанных амплитуд. При превышении этим отношением единицы, участок массива, из которого получен соответствующий образец, характеризуют как находящийся на стадии потери грузонесущей способности, т.к. слагающий его геоматериал нагружен свыше 0,9 от предела прочности при сжатии, то свидетельствует о его переходе на стадию предразрушения. Таким образом, предложенный способ определения напряжений в массиве горных пород позволяет выявить факт достижения величиной главного напряжения, действующего на участке геологической среды, критического, с точки зрения потери ее грузонесущей способности, значения, соответствующего нагрузке, равной или превышающей 0,9 предела прочности при сжатии геоматериала, слагающего этот участок массива.