Развитие подходов к расчету параметров напряженно-деформированного состояния массива пород по результатам измерений деформаций на торце скважины
И.Э. Семенова1, П.В. Амосов2, Н.Н. Кузнецов1, В.А. Некрасов1
1 Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
2 Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
Горная Промышленность №5 / 2024 стр.122-129
Резюме: Для обеспечения безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых необходимой является информация о напряженно-деформированном состоянии массивов горных пород. Существует ряд методов, позволяющих получить подобного рода информацию. Один из них, нашедший широкое применение на горных предприятиях, заключается в использовании характеристики упругого восстановления формы и размеров элемента породного массива при искусственном нарушении его связи с основным массивом (метод полной разгрузки в варианте торцевых измерений). Для его корректной реализации требуется математический аппарат, позволяющий перейти от напряжений на забое скважины к напряжениям в массиве пород без использования эмпирических коэффициентов. В работе представлены результаты разработки математического аппарата для расчета напряжений, действующих в массиве пород и определяемых на основании метода разгрузки в варианте торцевых измерений. Показана возможность использования полученных в ходе многолетних натурных и лабораторных исследований эмпирических коэффициентов (коэффициент концентрации и коэффициент влияния осевого напряжения) для перехода от напряжений на торце скважины (плоское напряжённое состояние) к напряжениям в массиве (объемное напряжённое состояние). Предложен подход для расчета компонент тензора напряжений в плоскости забоя трех взаимно перпендикулярных скважин через величины деформаций четырехдатчиковой розетки. Приведен подход для перехода от направлений и величин напряжений на плоскости замеров к направлению и величине главных напряжений в массиве.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, измерение напряжений, тензор напряжений, метод полной разгрузки на торце скважины, теория упругости, массив горных пород, скважина
Для цитирования: Семенова И.Э., Амосов П.В., Кузнецов Н.Н., Некрасов В.А. Развитие подходов к расчету параметров напряженно-деформированного состояния массива пород по результатам измерений деформаций на торце скважины. Горная промышленность. 2024;(5S):122–129. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-5S-122-129
Информация о статье
Поступила в редакцию: 10.08.2024
Поступила после рецензирования: 02.10.2024
Принята к публикации: 11.10.2024
Информация об авторах
Семенова Инна Эриковна – кандидат технических наук, руководитель отдела геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Амосов Павел Васильевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории междисциплинарных эколого-экономических исследований, Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Кузнецов Николай Николаевич – кандидат технических наук, руководитель лаборатории инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ, отдел геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Некрасов Валерий Аркадьевич – ведущий инженер лаборатории инструментальных исследований состояния горных пород Арктической зоны РФ, отдел геомеханики, Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Список литературы
1. Козырев А.А., Панин В.И., Семенова И.Э., Рыбин В.В. Геомеханическое обеспечение горных работ на горнодобывающих предприятиях Мурманской области. Горный журнал. 2019;(6):45–50. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.06.05 Kozyrev A.A., Panin V.I., Semenova I.E., Rybin V.V. Geomechanical support of mining operations in mines of the Murmansk Region. Gornyi Zhurnal. 2019;(6):45–50. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.06.05
2. Maleki H., Lawson H. Analysis of geomechanical factors affecting rock bursts in sedimentary rock formations. Procedia Engineering. 2017;191:82–88.
3. Еременко А.А., Шапошник Ю.Н., Филиппов В.Н., Конурин А.И. Развитие научных основ безопасной и эффективной геотехнологии при освоении удароопасных месторождений Западной Сибири и Крайнего Севера. Горный журнал. 2019;(10):33–39. https://doi.org/10.17580/gzh.2019.10.03 Eremenko A.A., Shaposhnik Yu.N., Filippov V.N., Konurin A.I. Development of scientific framework for safe and efficient geotechnology for rockburst-hazardous mineral deposits in Western Siberia and the Far North. Gornyi Zhurnal. 2019;(10): 33–39. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2019.10.03
4. Турчанинов И.А. Сравнительные испытания прецизионной тензометрической шахтной аппаратуры. Уникальные приборы. 1972;(10):127–128. Turchaninov I.A. Comparative testing of precision strain gauge mine instrumentation. Unikalnye Pribory. 1972;(10):127–128. (In Russ.)
5. Herget G. Rock stress and rock stress monitoring in Canada. In: Hudson J.A. (ed.). Rock Testing and Site Characterization: Principles, Practice and Projects. Elsevier Ltd.; 1995, pp. 473–496. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-042066-0.50026-4
6. Subrahmanyam D.S. Evaluation of hydraulic fracturing and overcoring methods to determine and compare the in situ stress parameters in porous rock mass. Geotechnical and Geological Engineering. 2019;37(6):4777–4787. https://doi.org/10.1007/s10706-019-00937-7
7. Hubbert M.K., Willis D.G. Mechanics of hydraulic fracturing. Transactions of the AIME. 1957;210(01):153–168. https://doi.org/10.2118/686-g
8. Курленя М.В. Развитие метода гидроразрыва для исследования напряженного состояния массива горных пород. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1994;(1):3–20. Kurlenya M.V., Leont’ev A.V., Popov S.N. Development of hydraulic fracturing for studying the stressed state of a rock mass. Journal of Mining Science. 1994;30(1):1–15. https://doi.org/10.1007/BF02048767
9. Леонтьев А.В., Рубцова Е.В., Леконцев Ю.М., Качальский В.Г. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв». Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2010;(1):104–110. Leont’ev A.V., Rubtsova E.V., Lekontsev Yu.M., Kachal’sky V.G. Measuring-computing complex “Gidrorazryv”. Journal of Mining Science. 2010;46(1):89–94. https://doi.org/10.1007/s10913-010-0013-x
10. Leeman Е.R. The CSIR “doorstopper” and triaxial rock stress measuring instruments. Rock Mechanics. 1971;3(1):25–50. https://doi.org/10.1007/BF01243550
11. Borsetto M., Martinetti S., Ribacchi R. Interpretation of in situ stress measurements in anisotropic rocks with the doorstopper method. Rock Mechanics and Rock Engineering. 1984;17(3):167–182. https://doi.org/10.1007/BF01042548
12. Ljunggren C., Chang Y., Janson T., Christiansson R. An overview of rock stress measurement methods. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003;40(7-8):975–989. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2003.07.003
13. Siren T., Hakala M., Perras M.A.Reliable in situ rock stress measurement from the excavation surface. In: Hudyma M., Potvin Y. (eds). UMT 2017: Proceedings of the First International Conference on Underground Mining Technology. Australian Centre for Geomechanics, Perth; 2017, pp. 477–486. https://doi.org/10.36487/ACG_rep/1710_38_Perras
14. Guido S., Acerbis R., Sossi G. Practice of the Doorstopper stress measurement method during the last 30 years in Italy. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021;833:012167. https://doi.org/10.1088/1755-1315/833/1/012167
15. Feng Y., Pan P.-Z., Wang Z., Liu X., Miao S. A novel indirect optical method for rock stress measurement using microdeformation field analysis. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024;16(9):3616–3628. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.10.011
16. Мельников Д.Н. Измерение напряжений в массиве пород Ждановского месторождения методом разгрузки (торцевой вариант). Вестник Кольского научного центра РАН. 2019;(1):57–61. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.57-61 Melnikov D.N. Stress measurements in rock mass of the Zhdanovskoe deposit by the doorstopper method. Herald of the Kola Science Centre of RAS. 2019;(1):57–61. (In Russ.) https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.57-61
17. Самсонов А.А. Оценка состояния массива горных пород удароопасного месторождения «Олений ручей» по результатам измерений напряжений. Вестник Кольского научного центра РАН. 2019;(1):62–67. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.62-67 Samsonov A.A. Assessment of rock mass state of Oleniy ruchey rock burst deposit based on the results of stress measurements. Herald of the Kola Science Centre of RAS. 2019;(1):62–67. (In Russ.) https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2019.11.1.62-67
18. Сентябов С.В., Карамнов Д.В. Методы определения первоначальных напряжений массива горных пород натурными измерениями. Проблемы недропользования. 2023;(1):54–63. https://doi.org/10.25635/2313-1586.2023.01.054 Sentyabov S.V., Karamnov D.V. Methods for determining the initial stresses of the rock massif by in-situ measurements. Problems of Subsoil Use. 2023;(1):54–63. (In Russ.) https://doi.org/10.25635/2313-1586.2023.01.054
19. Figueiredo B., Sjöberg J., Mattila J., Hakala M., Suikkanen J. Analysis and determination of the stress field at the Olkiluoto site. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2023;1124:012002. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1124/1/012002
20. Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та; 2011. 56 с. Режим доступа: https://sensor-sms.ru/f/tenzometricheskij_metod-meheda_va.pdf (дата обращения: 12.09.2024).
21. Кобаяси А. Экспериментальная механика. М.: Мир; 1990. Кн. 1. 552 с.
22. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение; 1983. 248 с. Режим доступа: https://djvu.online/file/Q8Fxta7aF3OAM (дата обращения: 12.09.2024).
23. Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии. М.: Машиностроение; 1989. 240 с. Режим доступа: https://djvu.online/file/Ec9tX4tOIwkWD (дата обращения: 12.09.2024).
24. Турчанинов И.А., Иванов В.И., Марков Г.А. Руководство по измерению напряжений в массиве скальных пород методом разгрузки: вариант торцевых измерений. Апатиты; 1970. 48 с.
25. Турчанинов И.А., Марков Г.А., Панин В.И., Иванов В.И. Экспериментальное определение полного тензора напряжений в массиве горных пород. Апатиты; 1973. 39 с.
26. Деменчук Н.П., Прилуцкий А.А. Основы теории напряженного и деформированного состояния. СПб.: Университет ИТМО; 2016. 118 с. Режим доступа: https://books.ifmo.ru/file/pdf/2098.pdf (дата обращения: 12.09.2024).
27. Реут Л.Е. Теория напряженного и деформированного состояния с примерами и задачами. Минск: БИТУ; 2008. 107 с. Режим доступа: https://rep.bntu.by/handle/data/3841 (дата обращения: 12.09.2024).
28. Водопьянов В.И., Савкин А.Н., Кондратьев О.В. Курс сопротивления материалов с примерами и задачами. Волгоград: ВолгГТУ; 2012. 136 с. Режим доступа: http://sopromat.vstu.ru/metod/sem/sem_11.pdf (дата обращения: 12.09.2024).
29. Каспарьян Э.В., Козырев А.А., Иофис М.А., Макаров А.Б. Геомеханика. М.: Высш. шк.; 2006. 503 с.
30. Bonnechere F. A comparative study of in situ rock stress measurements, M.S. Thesis, Univ. of Minnesota. 1967.
31. Van Heerden W. L. Determination of the accuracy of "doorstopper" stress measurements in coal, Rep. Coun. Scient. Ind. Res. S. Afr. 1968.
