CC BY
46
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НДС МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ СКВАЖИН
Владислав Генрихович Качальский
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния массива горных пород, тел. (383)217-05-41, e-mail: kwg@ngs.ru
Рассматривается проблема надёжного измерения малых деформаций стенок скважин при продолжительных измерениях. Температурная зависимость сигналов тензоизмерительных систем является определяющей среди всех возможных случайных и детерминированных воздействий на точность и надёжность измерения малых перемещений. Предложен комплекс мер по компенсации влияния температуры на результаты опытных исследований в условиях как внешнего, так и внутреннего температурного влияния на тензодатчики деформометра и измерительного канала.
Ключевые слова: деформометр, тензодатчик, дрейф, температурная компенсация.
SOFTWARE AND EQUIPMENT SUPPORT
OF FIELD RESEARCHES OF ROCK MASS STRESS-STRAIN STATE BY THE METHOD OF PARALLEL HOLE DRILLING
Vladislav G. Kachalsky
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, Laboratory for Diagnostics of Mechanical Condition of Rocks, tel. (383)217-05-15
The article deals with reliable long-term measurement of small deformations in drill hole walls. Out of all possible random and deterministic effects exerted on the reliability and precision of the small displacement measurement, the relationship of the temperature and the strain senor signal has the determining influence. The author offers the package of actions to balance both the internal and external temperature impact on the precision of strain sensors in the deformometer and in the hole.
Key words: deformometer, strain sensor, drift, temperature compensation.
Экспериментальные исследования напряжений, обеспечивающие получение наиболее объективных данных, имеют важное значение как для формирования параметров расчетной геомеханической модели объекта, так и для уточнения результатов численного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород и конструктивных элементов промышленных сооружений. Надежность оценки безопасного состояния инженерных сооружений во многом определяется достоверностью информации о величинах действующих напряжений в массиве горных пород.
Процедура натурного определения напряженного состояния массива горных пород - метод параллельных скважин, а также технические и программные средства приведены в [1 - 5], состоящая из последовательности опытов на объекте, разработана в ИГД СО РАН. Сущность его заключается в предварительном бурении в горном массиве измерительной скважины, в которую помещается прибор (деформометр) для измерения радиальных перемещений ее стенок. После этого напряженно-деформированное состояние в окрестности измерительной скважины изменяется выбуриванием параллельной (возмущающей) скважины, что приводит к небольшим перемещениям стенок измерительной скважины. Бурение возмущающей скважины осуществляется с таким расчетом, чтобы в начальном и конечном положении торец скважины не оказывал влияние на показания деформометра. Возникающие радиальные перемещения контура измерительной скважины регистрируются по нескольким (минимум трем) направлениям и определяются разностью между начальными (до возмущения) и конечными (после возмущения) показаниями. Для определения напряжений, существующих в окрестности измерительной скважины, в возмущающей скважине “напротив” деформометра размещается нагрузочное устройство, с помощью которого нагружают равномерным давлением стенки скважины. Определяются зависимости /1 давления на стенки скважины от их перемещения по направлениям (1).
1 - /: <’ : (1)
где II j - перемещения стенок скважин (мкм);
I _ направление, I =(1,2, ...к), к - число направлений;
Р)_давление на стенки возмущающей скважины (МПа), Р) = (Рт„ ... Ртах Р )
• • • 1 тту-
Таким образом, информационное обеспечение должно содержать два основных источника сигналов - датчики перемещений и датчик давления. Кроме того, к числу вспомогательных источников можно отнести инклинометр, позволяющий определять и поддерживать нужное положение деформометра внутри измерительной скважины, датчик расхода жидкости в гидросистеме нагрузочного устройства, так же необходимо контролировать напряжение аккумулятора, питающего измерительное устройство. Блок -схема каналов измерения информационного обеспечения эксперимента «параллельные скважины» приведена на рис. 1.
Из перечисленных сигналов, особое внимание уделяется точности и надёжности измерения перемещений с помощью деформометра, который выполняется с применением тензодатчиков. Технология проведения эксперимента «параллельные скважины» предполагает длительное (до нескольких часов) измерение малых перемещений стенок измерительной скважины. В процессе измерения возникают температурные изменения вокруг деформометра как естественного характера, так и от использования охлаждающей жидкости при бурении параллельной возмущающей скважины.
Рис. 1. Блок - схема каналов ввода сигналов в измерительном устройстве
Рассмотрим инструментальную ошибку измерения малых перемещений, связанную с температурным воздействием на измерительную систему (рис. 1).
Тензорезистивные преобразователи механических величин, в частности деформаций, используются для измерения малых перемещений. Данные преобразователи имеют следующие основные достоинства:
•сравнительно низкую стоимость; малые размеры; высокое быстродействие.
Наряду с перечисленными достоинствами они обладают рядом недостатков:
•изменение температуры окружающей среды приводит к температурному дрейфу нуля и чувствительности измерительных мостов;
•имеет место временной дрейф, обусловленный изменением номиналов резисторов измерительного моста и саморазогрев тензодатчиков.
Если во втором случае, в основном, используются различные методы старения датчиков (отжиг, электротермотренировка и т.д.), то в первом случае используются различные схемотехнические методы компенсации температурного дрейфа. Применение в измерительном канале высокочувствительных аналого - цифровых преобразователей и программного обеспечения с предварительной математической обработкой измеряемых сигналов является дополнительным средством учета температурного дрейфа.
Практическое использование тензометрических систем требует применять все доступные средства и методы компенсации и учета температурного дрейфа измерительного канала.
Рассмотрим возможность учета дрейфа тензосистемы [6] на основе опыта проведения исследований напряженного состояния на промышленном объекте. В используемой измерительной системе был применён программный способ учета детерминированной составляющей дрейфа тензомостов деформометра и измерительной системы. Неоднократно проведенные измерения деформаций стенок скважин в процессе бурения показали (пример на графике рис. 2), что дрейф показаний измерительной схемы в конце процесса сохраняется, несмотря на хорошо сбалансированные тензометрические мосты, хотя деформационные процессы, в основном, прекратились.
Рис. 2. Отображение процессов в измерительной скважине при бурении параллельной возмущающей скважины
В этих условиях применяется программный метод вычитания значений квазилинейного процесса саморазогрева тензодатчиков из измеряемого суммарного процесса _уа-[/] (2).
У от Л I _= ~А1Х I +У1 I _
Уоша I _= ~Л2х | _+ у2 | ^
Уа«г,к I _= ~Лкх | _+ ук | _
где уои1,т - откорректированные отсчеты по і - му каналу измерения деформации стенок измерительной скважины, і = 1,2,... к;
к - число направлений измерения деформаций стенок скважины;
І - дискретное время,і = 0,1,...;
Аі - коэффициент квазилинейной функции температурного дрейфа; хЦ] - значения отсчётов времени работы системы с начала записи дрейфа, і = 0,1,2,..Д - дискретное время;
Ы- число отсчётов временных рядов за время измерения дрейфа;
УкШ - отсчеты по I - му каналу измерения деформации стенок измерительной скважины.
Коэффициенты АI линейной системы (2) определяются путем
аппроксимации квазилинейной функции температурного дрейфа у[]
методом наименьших квадратов.
В результате применения системы (2) к данным, полученным в результате опыта бурения параллельной скважины за время до 2-х часов, удаётся повысить достоверность определения малых перемещений и уменьшить абсолютную ошибку измерения перемещений на конце интервала измерения N Дум до 20%:
ДУм = | (Уоп1д№ ^[N1) / Ук[Щ, (3)
где Дум - модуль относительной ошибки измерения перемещений стенок скважины.
Величина Дум со своим знаком используется для коррекции опытных данных в расчётах напряжений в окрестности измерительной скважины.
Применение системы (2) к результатам измерения перемещений стенок измерительной скважины при нагружении параллельной возмущающей скважины также позволяет получить устойчивые результаты, приведённые на рис. 3.
12 1 * * Л /7
\ V I 10 ^ 4 - ■ '*'■ ] V X ? V ч ; V ' ^ ? * / /
ч Ч ч. Ч \ * * ' ^ е 1 > / / ? * / / J 1 / /
' . ' ■■ 8 \ > * ь 9 / / —4— Пара 1 —и— Пара 2 - ■ * - - Пара 3 - -к- - - Пара 4
X ^ Хх £ \ ч- ■ • > 4 '' ч * //
■, \Л - \. X1 > / / 3 4 4
-23,0 -10,0 -13,0 -0,0 -3,0 2,0 7,0 12,0 17,0 Деформация контура скважины, мкм
Рис. 3. Графики деформации стенок измерительной скважины по 4-м направлениям при нагрузке - разгрузке возмущающей скважины. Координата X - деформация, мкм; У - давление в нагрузочном устройстве,
МПа
Графики нагрузки-разгрузки хорошо сглажены, что можно отнести к вполне удовлетворительной работе всей измерительной системы даже при малых перемещениях Хтах < 20 мкм. Метод коррекции дрейфа
тензометрической измерительной системы, возникающего из-за влияния
изменений температуры внешней среды и саморазогрева тензодатчиков в условиях продолжительных экспериментов, позволяет уточнить результаты измерения и получить более достоверные оценки НДС массива горных пород.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Курленя М.В., Барышников В.Д., Бобров Г.Ф. и др. Способ определения НДС в
массиве горных пород. // Открытия и изобретения. - 1981. № 40
2. Барышников В.Д., Попов С.Н. и др. Способ натурного определения упругих свойств горных пород в методе параллельных скважин. // ФТПРПИ. -1982. №1
3. Барышников В.Д., Качальский В.Г. Автоматизированный измерительный комплекс приборов для определения напряжений в массиве горных пород методом параллельных скважин.// ФТПРПИ. -2010. №3. - С.115-119.
4. Колмаков В.Д. Техника экспериментального измерения напряжений методом
параллельных скважин в скальных породах. // Исследование напряжений в горных
породах. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1985. - С.120-126.
5. Барышников В.Д., Курленя М.В., Гахова Л.Н. Опыт применения метода параллельных скважин для оценки действующих напряжений в бетонном массиве. // Гидротехническое строительство. -1998. №9. - С.59-62.
6. Качальский В.Г. Учет температурного дрейфа измерительной системы при определении деформационных свойств горных пород. / Труды ХХ Всероссийской конф. «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». Новосибирск: ИГД СО РАН, 2013.-С.213-215.
© В. Г. Качальский, 2014
