CC BY
45
© В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова, 2010
УДК 622.831
В.Д. Барышников, Л.Н. Гахова
ОЦЕНКА И УЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТОДЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
Исследовано влияние изменений температурного поля на смещения контура измерительной скважины при экспериментальной оценке действующих в массиве напряжений методом параллельных скважин. Определен режим проведения эксперимента, обеспечивающий минимальную погрешность определения напряжений.
Ключевые слова: метод параллельных скважин, термоупругость, смещения, напряжения.
Семинар № 18
Экспериментальные исследования по определению величин напряжений, действующих в горных массивах и инженерно-техничес-ких сооружениях, позволяют обеспечить объективную и надежную оценку их безопасного состояния. Метод параллельных скважин, разработанный в ИГД СО РАН [1,2], предназначен для определения абсолютных напряжений в породном и бетонном массивах. Он прошел успешную проверку в условиях горных предприятий [3] и крупномасштабных инженер-но-техни-ческих сооружений [4]. Суть его заключается в следующем. В предварительно пробуренную в массиве скважину (измерительную) устанавливается устройство для измерения радиальных перемещений ее контура (четырех - или восьмикомпонентный дефор-мометр). Изменение напряженного состояния в окрестности измерительной скважины достигается путем выбуривания параллельной скважины (возмущающей). Происходящие при этом деформации контура скважины, регистрируемые многокомпонентным деформо-метром, отвечают исходному напряженному состоянию. Упругие константы
массива, необходимые для расчета напряжений, определяются по результатам измерений деформаций измерительной скважины при нагружении равномерным давлением контура возмущающей скважины после её выбуривания. Разработанные технические средства для реализации метода обеспечивают определение напряжений в массиве на глубинах до 10 м от контура выработки. По результатам одного замера определяются три компоненты напряжений в плоскости, перпендикулярной осям скважины [5].
Одним из этапов технологического процесса проведения эксперимента является бурение возмущающей скважины. При этом используется, как правило, колонковое бурение с промывкой водным раствором. В реальных условиях эксперимента температура воды может быть отлична от температуры исследуемого массива. Более того, в зависимости от режима бурения и типа горных пород, температура промывочной воды может изменяться в пределах 3-5°. Различие температур воды и массива приводит к деформациям измерительной
Таблица 1
Физико-механические свойства массива
Физические параметры массива Алевролиты
Модуль упругости, Е, МПа 3-104
Плотность, р , кг/м3 2,6 103
Коэффициенты:
Пуассона V 0,23
линейного теплового расширения а, 1/град 1,010-5
теплопроводности к, Вт/(м-град) 1,74
температуропроводности ж , м2/сек 1,010-6
теплоотдачи воздуха а1, Вт/( м2-град) 6
теплоотдачи воды а2, Вт/( м2-град) 600
теплообмена воздух-массив а1/к , 1/м 3,45
теплообмена вода-массив ^= а2/к 1/м. 345
Таблица 2
Температура контура измерительной скважины
Номер точки на контуре Температура, град.
L=30 мм L=50 мм
1 2,26 0,58
2 (8) 0,84 0,19
3 (7) 0,02 0,01
4 (6) 0,00 0,00
5 0,00 0,00
скважины, не связанным с исходным напряженным состоянием массива.
Поставлена задача исследования влияния изменения температурного поля на результаты экспериментального определения напряжений в массиве. С помощью разработанного в ИГД СО РАН комплекса программ решалась квазистатическая задача термоупругости для двух круговых отверстий (скважин). Температура массива и воздуха в первой скважине (измерительной, 0 76 мм ) принималась Т0 = 0°, во второй (возмущающей, 0 112 мм ) -температура промывочной воды Т = 7°. Система координат выбрана таким образом, что ось ОХ проходит через центр обеих скважин (рис. 1). Предполагалось, что граничные контуры свободны от напряжений. В нетронутом массиве при-
ад ад ад /Ч Г-І-1 /-
нято ах = а у = іху = 0. Іаким образом, деформации контура измерительной скважины определяются только влиянием температурных воздействий.
Исследовался породный массив (алевролиты), физические свойства которого приведены в табл. 1.
Для фиксированных расстояний между скважинами ^ = 30, 50 мм) рассчитывалось изменение температурного поля во времени с шагом 1 мин. В табл. 2 приведены значения температуры контура измерительной скважины в точках
1 - 8 (рис. 1) при L = 30 мм и 50 мм через 32 минуты (средняя продолжительность бурения возмущающей скважины). Наибольшая температура зафиксирована в точках 1, 2 и 8, наименее удаленных от контура возмущающей скважины; в точках 3-7 значения температур меньше 0,1°. Поэтому для последующего анализа относительных смещений контура измерительной скважины рассматривались направления I (точки 2 -5), совпадающее с осью ОХ, а также II (точки 2 - 6) и III (точки 4-8), расположенные под углом 45° к оси
У
------ - измерительная скважина
-------- возмущающая скважина
Рис. 1. Расчетная схема
Таблица 3
Смещения контура измерительной скважины по направлениям I и II (III) в зависимости от времени бурения возмущающей скважины
^ мин. Смещения, мкм
L=30 мм L=40 мм L=50 мм
I II (III) I II (III) I II (III)
6 -2,18* -1,27 -0,57 -0,41 -0,18 -0,11
12 -2,49 -1,48 -1,09 -0,61 -0,39 -0,19
18 -2,62 -1,59 -1,17 -0,69 -0,43 -0,20
24 -2,70 -1,60 -1,19 -0,70 -0,45 -0,20
32 -2,70 -1,60 -1,19 -0,70 -0,45 -0,20
* Знак " - " - сжатие (уменьшение диаметра скважины)
ОХ (см. рис. 1). По условиям симметрии относительные смещения контура по направлениям II и III совпадают.
Температурные деформации контура (относительные смещения) были посчитаны по истечении 6, 12, 18, 24, 32 мин воздействия промывочной воды на изменения температурного поля в окрестности возмущающей скважины (табл. 3).
В качестве примера на рис. 2 представлены смещения контура измерительной скважины по направлениям I и
II для перемычки L = 30 мм. Анализ
графика показывает, что относительные смещения контура измерительной скважины стабилизируются через 25-30 мин от начала бурения; при увеличении времени бурения ^ 30 мин прирост температурных деформаций - в пределах точности их измерений скважинным де-формометром (1 мкм).
Смещения контура по II направлению в соответствующие моменты времени на 30-40% меньше, чем по направлению I. Максимальные смещения по первому направлению достигают 2,7 мкм. Для принятой геометрии экспери-
Рис. 2. Относительные смещения контура измерительной скважины в I и II направлениях в зависимости от времени бурения возмущающей скважины
Рис. 3. Смещения контура измерительной скважины в I и II направлениях в зависимости от расстояния между скважинами
мента неучет температурных деформаций приводит не только к погрешностям определения величин главных напряжений (до ± 1,5 МПа), но и искажают направления их действия по сравнению с исходными в массиве. Исключение влияния температурных деформаций путем естественной стабилизации температурного поля в окрестности возмущающей скважины значительно увеличивает продолжительность эксперимента, что технологически не оправдано.
На рис. 3 приведены изменения относительных смещений контура измери-
Рис. 4. Смещения контура измерительной скважины по направлениям I и II при равных диаметрах замерной и возмущающей скважины 076 мм
тельной скважины 0 76 мм в зависимости от расстояния между скважинами при заданном градиенте изменения температур (АТ = 7°) и времени бурения возмущающей скважины 0 112 мм (1 = 32 мин.). Анализ графика показывает, что при толщине перемычки, равной диаметру измерительной скважины, температурные деформации практически не влияют на результаты измерений.
Аналогичные расчеты были выполнены для измерительной и возмущающей скважин 0 76 мм. На рис.4 приведены графики зависимости смещений контура измерительной скважины 0 76 мм от толщины перемычки L. Результаты расчетов показали, что при L > 35 мм смещения измерительной скважины, вызванные температурными воздействиями промывочной воды, не превышают погрешность их измерений.
Проведенные исследования позволили дать количественную оценку основных влияющих факторов (геометрии и времени бурения возмущающей скважины) на результаты определения напряжений. В частности установлено, что при температуре воды, равной температуре массива, влияние температурного фактора при бурении возмущающей
скважины не оказывает влияния на результаты определения напряжений при толщине перемычки, равной диаметру измерительной скважины.
В случае различия температуры массива и промывочной воды, следует предусматривать при планировании и реализации эксперимента контроль измене-
ния температур контура измерительной скважины и промывочной воды, что позволит при заданных параметрах эксперимента (геометрии, времени бурения и температуры промывочной воды) вносить в измеренные деформации температурные поправки.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальные исследований (грант 08-08-00113) и Интеграционного проекта СО РАН № 74.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курленя М.В., Леонтьев А.В. Способ определения напряжений в массиве осадочных пород. А.с. 368402, - Б.И., - №9, - 1973.
2. Курленя М.В., Попов С.Н., Федоренко В.К., Барышников В. Д. Способ натурного определения упругих свойств горных пород в методе параллельных скважин. // ФТПРПИ.-1982. - №1.
3. Курленя М.В., Барышников В.Д. и др. О напряженно-деформированном состоянии Ни-
колаевского месторождения // ФТПРПИ.-1982. - №2.
4. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Опыт применения метода параллельных скважин для оценки действующих в бетонном массиве напряжений // ГТС.- 1998. - 2 .
5. Курленя М. В., Попов С. Н. Теоретические основы определения напряжений в горных породах. - Новосибирск, - Наука,- 1993МШ
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Барышников В.Д. - кандидат технических наук, зав. лабораторией диагностики механического состояния массива горных пород ИГД СО РАН, E-mail: vbar@misd.nsc.ru Гахова Л.Н. - кандидат физико-математических наук, ст. научный сотрудник, ИГД СО РАН, E-mail: vbar@misd.nsc.ru
