СН 484-76, часть 3
Определение прочности пород при сжатии в натурных условиях
3.27. Натурные испытания проводят для определения прочности массива с учетом ослабляющего влияния трещин. Размер образцов (призмы) при натурных испытаниях должен быть таким, чтобы в нем содержался достаточно представительный набор различного рода структурных неоднородностей (трещин, слоев и т. п.),
Испытания производят в стенке выработки, предварительно зачищаемой от разрушенной и выветренной породы. Для оконтуривания призмы в породах с прочностью в образце до 200—400 кгс/см2 применяют цепную пилу типа МС-10 с зубцами, армированными твердым сплавом. В более прочных породах, оконтуривающие щели образуют пробуриванием скважин станками вращательного бурения.
Рекомендуемая схема испытаний приведена на рис. 8. В шпуры, пробуренные вращательным способом до оконтуривания призмы, закладывают реперы для наблюдения продольных и поперечных деформаций призмы в процессе испытаний с помощью индикаторов часового типа,
Размеры призмы а, b , с выбирают с учетом мощности давильной установки. Испытание призмы большого размера весьма трудоемко. Ее целесообразные размеры таковы: а= b =0,5 м; с=0,75 м. Высота ниши для монтажа давильной установки определяется ее габаритами.
Для загружения призм указанного размера рекомендуются давильная установка ВНИМИ типа 9С12 (усилие до 100 тс) и комплект из 9 давильных цилиндров типа БУ-ЗО (усилие до 1800 тс),
3.28. Прочность массива при сжатии R с.м , кгс/см 2 , определяют по формуле
(26)
где Р — разрушающее усилие, кгс;
a b — площадь поперечного сечения призмы, см 2 .
Нагружение призмы ведут ступенями примерно по 10% ожидаемой разрушающей нагрузки. После каждой ступени нагружения снимаются показания индикаторов.
Продольные и поперечные деформации e рассчитывают по формуле
_________
1 Подробнее методика натурных испытаний изложена в «Методическом пособии по натурным методам механических испытании горных пород», ВНИМИ, Л., 1969.
(27)
Рис. 8. Схема натурных испытаний пород на одноосное сжатие в массиве
1 — шпуры; 2 — реперы; 3 — индикатор
где D l — изменение расстояния между реперами, мм;
l— расстояние между реперами, мм.
Модуль деформации определяют по формуле
(28)
На основании натурных испытаний прочностных свойств пород устанавливают коэффициент структурного ослабления пород
4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
п
4.1. Из натурных методов определения напряжении— разгрузки, компенсационной нагрузки, разности давлении, упругих динамометров, измерения деформаций буровых скважин, геофизических методов— применяют метод полной разгрузки. Применяя метод разгрузки, необходимо иметь в виду, что он работает в пределах линейной упругости. По техническому исполнению и аналитическим приемам расчета напряжении следует различать три принципиальные схемы применения метода полной разгрузки1 .
4.2. При использовании схемы ВНИМИ производят бурение скважин меньшего диаметра (71 мм) и выбуривание керна небольшой длины (35—71 мм). Схема с центральной скважиной требует выбуривания керна значительно больших размеров (93—112 и 200— 300 мм), а это очень трудно, а иногда вообще невозможно осуществить (например, при сильнотрещиноватых или слабых горных породах).
4.3. Для определения напряжении и массиве методом разгрузки рекомендуется:
а) пробурить скважину определенного диаметра до места, в котором необходимо определить напряжение;
б) торцу скважины придать определенную форму (при схеме ВНИМИ) или в центре забоя скважины пробурить опережающую скважину меньшего диаметра (другие схемы);
в) в центральной части торца скважины или в опережающей скважине установить деформометр;
г) при помощи кольцевой коронки выбурить керн;
д) измерить деформации упругого восстановления;
е) измерить модуль упругости и коэффициент Пуассона в месте измерения деформаций упругого восстановления;
ж) вычислить величины главных напряжении и их направление.
4.4. Комплект оборудования и измерительной аппаратуры должен включать буровые станки, буровые приспособления, измерительную аппаратуру и вспомогательное оборудование. Для бурения скважин и крепких породах рекомендуется применять станки вращательного бурения.
________
1 См. «Методические указания по применению метода разгрузки для изменения напряжений в массивах горных пород». ВНИМИ, 1972.
4.5. Для схемы ВНИМИ используется следующее оборудование: колонковые трубы диаметром 71 мм, длиной от 0,5 до 1 м со специальными переходниками;
мелкоалмазные коронки диаметром 76 мм для крепких и весьма крепких горных пород и коронки диаметром 76 мм, армированные победитовыми пластинками, для слабых и средней крепости пород;
специальные шлифовальные коронки ЗД/13, 73Р01, 73Р02;
самоориентирующееся досылочное устройство 5Д-45 и досылочные штанги;
тензометрический деформометр со съемной платой 7Д-23 или тензометрический деформометр с прижатием тензорезисторов;
клей циакрин «ЭО» с наполнителем Аэросил-380 или эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6 с отвердителем полиэтилен-полиэмином;
ацетон;
тензорезисторы типа ПКБ;
регистрирующая аппаратура: тензометрическая станция СБ8 или тензометрическая приставка 71Р01 с гальванометром М195/1.
4.6. Для схемы с центральной скважиной используется следующее оборудование:
мелкоалмазные коронки диаметром 93 и 12 мм для крепких пород;
коронки диаметром 93 и 112 мм, армированные победитовыми пластинами, для слабых и средней крепости пород;
комплект вспомогательного и бурового оборудования МС-18;
ацетон;
деформометр ДМ-15;
клей циакрин «ЭО» с наполнителем Аэросил-380;
регистрирующая аппаратура, состоящая из тензометрической приставки 71Р01 с гальванометром М195/1.
4.7. Число измерительных скважин рекомендуется принимать согласно п. 3.18 Инструкции. Ориентировка скважин при использовании метода разгрузки по схеме ВНИМИ следующая:
если напряжения определяют в узких ленточных целиках, то скважину следует располагать в средней части целика по его высоте в направлении, перпендикулярном к длинной оси целика;
если напряжения определяют в высоких столбчатых целиках, то скважину следует располагать также в средней части целика по его высоте и направлять в центр целика;
если напряжения определяют в широких целиках, то необходимо бурить две измерительные скважины: одну перпендикулярно к продольной оси целика, другую— вдоль целика;
если напряжения определяют в нетронутом массиве, то первую измерительную скважину необходимо бурить по направлению известного главного напряжения (желательно минимального), а вторую - по направлению меньшего из двух главных напряжении, определенных измерениями в первой скважине.
4.8. При применении метода разгрузки по схеме с центральной скважиной ориентировка скважин следующая:
если напряжения определяют в нетронутом массиве с неизвестными направлениями главных напряжений, то скважины следует располагать ортогонально и так, чтобы они находились в одной геологической разности пород. Так как чаще всего одно из главных напряжении совпадает с направлением гравитационных сил, то необходимо первую измерительную скважину направлять вертикально вверх; если напряжения определяют в массиве с известным направлением хотя бы одного главного напряжения, то измерительную скважину следует бурить в направлении известного главного напряжения. Для определения напряжении на поверхности выработки следует применять метод частичной разгрузки.
5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
УПРУГИХ ПРОДОЛЬНЫХ И УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИХ ВОЛН В
ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Определение скорости продольной волны но наблюдениям в выработках и скважинах
5.1. Для определения скорости продольной волны вдоль стенки скважины пли горной выработки необходимо регистрировать прямую продольную волну, распространяющуюся от пункта возмущения, и время пробега ее фронта до каждой точки наблюдения.
В качестве регистрирующей аппаратуры следует применять осциллограф Н-700, а в качестве измерительной аппаратуры— сейсмо-приемники марки С-1-30 в комплекте с 20-канальным усилителем СБ-12 конструкции ВНИМИ.
5.2. При регистрации сейсмоприемники необходимо устанавливать по профилю в пунктах наблюдений, расположенных на расстоянии 10, 20, 40, 60 и 80 м от пункта взрыва. В пунктах наблюдений бурят наклонные шпуры в направлении к очагу взрыва таким образом, чтобы их забой находился на расстоянии 1,5 м от стенки выработки. В этих шпурах жестко с помощью клиновых зажимов укрепляют сейсмоприемники. Для возбуждения упругих колебаний применяют взрывы зарядов ВВ весом 1—3 кг.
5.3. По сейсмограммам взрывов определяют время пробега и строят годограф вступлений прямой полны относительно первого пункта наблюдений. Этот способ дает точные результаты в монолитных магматических и осадочных породах. В слоистых осадочных метаморфических породах для учета анизотропии обязательно необходимо определить скорости упругих волн в направлении, перпендикулярном к слоистости. Для измерения скорости вкрест напластования рекомендуется использовать вертикальные выработки, скважины, а также выработки, расположенные па разной глубине от земной поверхности.
При скважинных наблюдениях сейсмоприемники помещают в специальных устройствах, расклиниваемых на заданной глубине. Если в скважинах имеется буровой раствор, то жесткое закрепление не применяют.
5.4. Шаг установки сейсмоприемников выбирают с учетом мощности слоев покрывающих пород. Для пород, продставленных слоями мощностью свыше 10 м, расстояние между сейсмоприемниками вблизи охраняемого объекта следует принимать в пределах 10 м, выше оно может быть увеличено до 50 м. Детальными измерениями охватывают зону радиусом 40 м от объекта.
Если мощность слоев в породах налегающей толщи меньше 5 м, то расстояние между сейсмоприемниками вблизи объекта необходимо сокращать до 5 м, а в вышележащих слоях— до 20—30 м. Возбуждение упругих волн производят взрывами зарядов на земной поверхности или в скважинах.
5.5. Сейсмический каротаж при расположении пункта взрыва у устья скважины позволяет получать продольные вертикальные годографы. По этим годографам для отдельных стратиграфических и литографических пачек пород определяют пластовые или средние скорости. Если разница между пластовой и средней скоростью не превышает погрешности измерений ±10 % , то при расчете используют любую из вычисленных скоростей.
5.6. Пластовую скорость V пл вычисляют по формуле
(29)
где dz и dt — приращения определяют по отдельным интервалам на продольном годографе.
Среднюю скорость V ср рассчитывают по формуле
(30)
где å h — мощность свиты, м;
å t — время пробега волны от кровли до подошвы свиты.
Определение скорости упругих волн на образцах
5.7. Измерение скорости упругих волн в образцах производят с помощью импульсной аппаратуры. Для регистрации применяют установку УКБ-1М (Кишинев, з-д «Электроточприбор»), позволяющую измерять время пробега упругих волн в пределах от 0 до 5500 мкс.
Образцы перед измерениями необходимо подвергать механической обработке— обрезают торцы с соблюдением параллельности их плоскостей, которые в дальнейшем шлифуют. Поперечный размер образца должен быть больше длины излучаемого импульса, а его высота должна быть равна трем-четырем длинам импульса,
5.8. Скорость продольной волны V вычисляют по формуле
(31)
где l0 — длина образца;
t— время пробега волны от излучателя до приемника.
В трещиноватых образцах скорость измеряют для импульсов с частотой 25 кГц, в монолитных— с частотой 60, 100 и 150 кГц. Пластовые и средние скорости определяют по формулам п. 5.6,
Определение скорости распространения ударной волны в зоне упругопластических деформаций в натурных условиях
5.9. Скорость фронта ударной волны в зоне пластических деформаций определяют регистрацией моментов прохождения фронта ударной волны через датчики, расположенные на известном расстоянии от центра взрыва (эпицентра взрыва). Для возбуждения упругопластической волны применяют заряды ВВ в количестве, определяемом необходимостью обеспечения возникновения пластических деформаций в местах расположения датчиков. Величину заряда необходимо рассчитывать исходя из физико-механических свойств породы и типа применяемого взрывчатого вещества.
5.10. В качестве датчиков необходимо использовать турмалиновые пьезоэлектрические датчики давления для регистрации импульсов давления, длительности переднего фронта 1— 2 м/с в зоне 7—10 радиусов заряда и в зоне до 20 радиусов с учетом длительности нарастания переднего фронта, равной 2—5 м/с.
Регистрация давления осуществляется катодным двухлучевым осциллографом C1-24 (ОК-17м) с однократной ждущей разверткой, позволяющим регистрировать динамические процессы с частотой до 1 мГц. Для предварительного усиления импульсов может быть использован измерительный усилитель типа 103-И.
Определение скорости распространения упругопластических
волн на модели
5.11. Наиболее распространенными и точными методами экспериментального определения ударной сжимаемости (ударной адиабаты) горных пород следует считать метод торможения. Суть метода заключается в соударении двух образцов исследуемой горной породы посредством заряда ВВ.
Измерение скорости ударной волны необходимо производить на неподвижном образце, именуемом мишенью, посредством электроконтактных датчиков, шлейфового осциллографа Н-700 и усилителя УТС-112.
Метод торможения позволяет получить ударные адиабаты твердых тел при высоких давлениях — до 50 × 10 6 кгс/см2 .