Оценка напряженного состояния массива по рассеянию гамма-квантов и упругому последействию пород

Гамма-кванты представляют собой электромагнитные колебания большой частоты, возникающие при распаде радиоактивных изотопов. При прохождении через вещества они взаимодействуют с электронами и нуклонами атомов вещества, с электрическим полем ядер, в результате чего рассеиваются и поглощаются. Изменение интенсивности гамма-излучения после прохождения через поглощающий слой вещества подчиняется экспоненциальному закону

где I0 — интенсивность гамма-излучения на границе поглощающего слоя; u — массовый коэффициент ослабления; х — толщина поглощающего слоя.

Массовый коэффициент ослабления зависит от энергии излучения и плотности среды. Чем больше плотность среды, тем больше значение коэффициента ослабления. На этой основе созданы многие методы и приборы определения плотности среды, его пористости и водонасыщенности.

Изменение вещественного состава угольных пластов незначительно влияет на ослабление гамма-излучения, так как все элементы, встречающиеся в угольных пластах, по степени ослабления относятся к одной группе С, Si. А вот процессы, вызываемые горным давлением и связанные с раскрытием и закрытием трещин, должны оказывать более существенное влияние на изменение гамма-излучения. Для оценки абсолютных значений напряжений необходимо установить зависимость изменения плотности угольных пластов от действующих напряжений в массиве, а также осуществить тарировку аппаратуры в натурных условиях для конкретных условий проведения исследований.

Гамма-метрнчеcкий прибор, рекомендуемый для определения и контроля напряженности угольных пластов (рис. 9.1), создан на основе прибора РПГ-36, разработанного научно-исследовательскими институтами ВНИИРТ и НИИ оснований Госстроя России. Он состоит из радиометрического зонда и регистратора.

Радиометрический зонд конструктивно выполнен в виде цилиндрической гильзы диаметром 36 мм, внутри которой размещены; свинцовый экран, детектор-сцинтиллятор [NaI), фотоэлектронный умножитель, схема согласования. Источник гамма-квантов расположен в съемной головке, которая крепится к цилиндрической гильзе. Соединение гамма-метрического прибора с регистрирующим устройством осуществляется с помощью коаксиального кабеля.

На панели регистратора размещены: электрический счетчик МЭС-5-1; вольтметр (0—15 В); переключатель диапазонов, тумблер рода работ (счет, контрольный генератор), кнопки сброса триггеров, разъемы для подключения зонда. Питание регистратора осуществляется от сухих элементов типа "Сатурн" (8 штук) напряжением 12 В. Потребляемый ток 100 мА,

Отличительной особенностью прибора является высокочувствительный детектор со сцинтилляционным счетчиком (NaI), позволяющим использовать источник гамма-квантов с малой активностью до 0,1 мг*экв. радия и работать с прибором без специальной защиты.

Методические исследования, выполненные в лабораторных и шахтных условиях (шахты "Южная" и им. Артема, Восточный Донбасс) показали, что гамма-метрический метод с применением созданного прибора может быть рекомендован для использования в угольных шахтах. Для шахт, опасных по газу и пыли, прибор должен быть изготовлен в искровзрывобезопасном исполнении.

Главная сложность для получения численных значений напряженного состояния заключается в том, что пока еще не накоплено достаточно большого объема экспериментальных данных и на каждом шахтопласте необходима тарировка прибора. Это объясняется тем, что плотность углей различных пластов не одинакова, а соотношение напряженного состояния и плотности углей изменяется с изменением уровня действующих напряжений и состояния углей (допредельное и предельное). Одинаковое изменение напряженного состояния на различном расстоянии от забоя не вызовет одинакового изменения интенсивности рассеянного гамма-излучения.

Можно рекомендовать следующий порядок тарировки прибора.

1. С откаточного штрека впереди лавы за пределами влияния очистных работ по угольному пласту бурится три параллельных шпура на расстоянии 0,7-1,0 м друг от друга. Длина шпуров должна позволять достигнуть зоны напряжений, близких к уН.

2. В средний шпур вставляется гидравлический датчик и по известной методике производится наблюдение за изменением напряженного состояния по мере приближения лавы,

3. Два других шпура во избежание их разрушения горным давлением закрепляются обсадными трубами.

4. Во время снятия показаний по гидравлическим датчикам производится измерение интенсивности рассеянного гамма-излучения в обоих шпурах, — без коллимации и с коллимацией источника вверх N0, вниз N180, влево N270, вправо N90, а также в направлениях N45 и N225 (индекс указывает направление в градусах). Данные по двум шпурам усредняются. Наблюдения продолжаются до подхода лавы к шпурам.

5. Строятся эпюры горного давления по гидравлическому датчику и эпюры интенсивности рассеянного гамма-излучения в зависимости от расстояния во лавы и по ним определяются переходные коэффициенты от интенсивности гамма-излучения к напряженному состоянию.

Тарировку следует проводить в той же пачке угольного пласта, в которой будут выполняться измерения в лавах. Следует выбирать наиболее однородные угольные пачки. Расстояние от шпура до пород кровли, почвы или породного прослойка не должно быть менее 150 мм. Для получения более надежных тарировочных данных, тарировку прибора следует выполнить в 3—5 точках угольного пласта.

Для измерения напряженного состояния угольных пластов в лаве бурят шпуры диаметром 44 мм. Длина шпуров, их число в лаве и расстояние между ними определяются задачей исследований. Измерения можно выполнять как в обсаженных трубами шпурах, так и в не обсаженных. Следует стремиться, чтобы зазоры между стенками шпуров и зондом были минимальными и в то же время не препятствовали продвижению зонда в шпуре. Толщина стенок обсадных труб должна быть одинаковой по всей их длине.

Гильза зонда прибора с помощью стержня-удлинителя вставляется в шпур до его забоя, а затем с шагом в 10—20 см измеряется скорость счета рассеянного гамма-излучения в течение одной минуты. Высокая стабильность показаний прибора позволяет выполнить в каждой точке по 1—2 замера скорости счета. При необходимости измерения выполняются как с коллиматором, так и без коллиматора. При работе с коллиматором измерения следует выполнять при шести положениях зонда, ориентирующим излучение вверх, вправо, вниз, влево и в направлениях N45, N225.

Гидравлический датчик, используемый для тарировки прибора, позволяет определять среднюю величину напряжений, действующих в плоскости, перпендикулярной к оси датчика (шпура). Для разделения их на составляющие предлагается следующая методика.

Определяется переходной коэффициент от скорости счета рассеянного гамма-излучения к напряжениям:

где од — напряжения в массиве, измеренные гидравлическим датчиком; NС = (N0 + N90 + N180 + N270)/4 — средняя скорость счета рассеянного гамма-излучения.

Строительный график зависимости коэффициента С от расстояния до забоя лавы.

Для получения эллипсоида напряжений такие измерения необходимо выполнить в трех взаимно перпендикулярных шпурах.

Метод измерения напряжений по деформациям упругого последействия основан на способности горных пород деформировался некоторое время после снятия с них нагрузки. Деформации упругого последействия иначе называют обратной ползучестью.

Горные породы, будучи телами многофазными и полиминеральными, имеют компоненты, обладающие как упругими, так и вязкими свойствами. Среда, склонная к упругому последействию изображается так называемым телом Кельвина (рис. 9.2), представляющим собой параллельное соединение упругого тела Гука (пружина) и вязкого тела Ньютона (поршень в стакане с вязкой жидкостью). Многие исследователи за основу своих реологических моделей берут тело Бюргерса, представляющего собой последовательное соединение тел Максвелла и Кельвина.

Символически тело Кельвина описывается реологической формулой К = Н/N.

Если принять тело Кельвина (см. рис. 9.2), то

где G — модуль сдвига; е и е' — относительная деформация и ее скорость; n — вязкость.

(9.7) представляет собой линейное дифференциальное уравнение относительно е, решением которого является интеграл

где е0 — начальная деформация (рис. 9.3).

При о = oC — const уравнение (9.8) записывается в виде

где o0 — начальное напряжение:

Формула (9.9) дает семейство кривых (см. рис. 9.3). При полном снятии напряжений (oC = 0)

Деформация за какой-то промежуток времени t2—t1 после освобождения тела Кельвина от нагрузки

Представления для одноосных напряжений и деформаций можно распространить на изотропные компоненты объемного напряженного состояния.

В этом случае среднее напряжение р = 1/3(o1 + o2 + o3) можно выразить как

где К — объемный модуль деформации; ev = e1 + e2 + e3, ev — относительная объемная деформация и ее скорость; e — объемная вязкость последействия.

По аналогии с предыдущими уравнениями

Таким образом, для того чтобы определить величину напряжений в массиве, а также модуль сдвига и вязкость последействия горных пород (включая объемный модуль деформации и объемную вязкость), необходимо:

- зафиксировать время t1 после освобождения образца горной породы или части массива от напряжений до начала наблюдений за деформациями обратной ползучести;

- построить кривые деформации упругого последействия Aev = f(t) за промежуток времени (t2—t1), желательно до прекращения деформаций упругого последействия;

- по формуле (9.13), используя экспериментальные данные и кривую объемных деформаций упругого последействия, определить р, К и e;

- от общей деформации в искомом направлении Aei вычесть деформацию объемного расширения 1/3ev и, получив Ae0 по формуле (9.10), определить девиатор напряжений o0;

- к найденному значению o0 прибавить составляющую шарового тензора напряжений р. Это и будет искомая величина напряжений, действующих на породу в массиве до момента ее разгрузки в направлении измерений.

Теоретические разработки метода измерений напряженного состояния по деформациям упругого последействия позволяют создавать самую разнообразную аппаратуру, в частности создан прибор ПООП — прибор определения обратной ползучести (рис. 9.4).

Для того, чтобы определить направление главных напряжений в массиве по деформациям обратной ползучести по кернам скважин, необходимо не только знать ориентировку поднятого из скважины образца в пространстве, но также и деформации кернов не менее чем в шести направлениях (рис. 9.5).

Величины деформаций по направлениям будут определяться показаниями индикаторов (см. рис. 9.4):

Делением абсолютных значений деформаций Ad на диаметр керна определяются относительные деформации е1-1, е2-2, е3-3, а делением Ah4-4 на базу измерения продольных деформаций определяется е4-4. Затем аналогичным образом рассчитываются е7-7, е8-8, е9-9 и е10-10.

Относительная деформация

О возможностях предложенного метода первоначально судили по результатам лабораторных испытаний. В связи с этим, первой задачей натурных измерений было установить длительность упругого последействия в отдаленных от массива кернах и образцах. Такие измерения посредством прибора ПООП осуществлены на буровых разведочных скважинах (рис. 9.6).

На шахте "Южная" производственного объединения Ростовуголь опыты по измерению деформаций обратной ползучести проводили в условиях частичной разгрузки призабойной части массива. С этой целью в нижней угольной пачке пласта i3и Степановский устанавливались тензометрические репера, позволяющие измерять деформации угольного пласта на базе 30—35 см в направлениях вдоль забоя, по мощности пласта и вглубь массива. Затем ручной пилой вырубали нишу на глубину 0,5 м.

Замеренные при такой разгрузке деформации перпендикулярно к мощности пласта для различного времени суток 19 ч 40 мин, 19 ч 45 мин и 20 ч 10 мин составили соответственно 3,85, 2,96 и 2,94 мм.