Sigra: важность измерения напряжений в горных породах

При работе с горными породами всегда необходимо иметь некоторое представление об уровнях напряжений, с которыми приходится иметь дело, о том, как они влияют на поведение породных массивов и соотносятся с планируемым методом добычи. В несложных случаях достаточно просто наблюдения за ситуацией.

Например, если в горном массиве есть открытые трещины или трещины, заполненные мягкой породой или сильно выветрившимся материалом, напряжение, передаваемое через них, будет незначительным, и на любую структуру в этом горном массиве будет преобладающе воздействовать сила гравитации.

Если рассмотреть горный массив, для которого характерно множество контактных породных зон и заполненных трещин, то напряжение в нём, вероятно, будет зависеть от трения в трещинах и в контактных зонах. В зависимости от ориентации систем трещин и контактных зон напряжение может определяться силой тяжести.

Уровень напряжения в горных породах может сильно разниться как в приповерхностных породах, так и в породах на большей глубине. Чем более крепкая порода, тем больше вариабельность значений напряжения, поскольку трение в контактных зонах и трещинах перестаёт быть фактором, ограничивающим напряжение.

Горное напряжение

Напряжение в горном массиве играет важную роль, потому что от него зависят практически все аспекты горных работ. На протяжении всего срока эксплуатации горного предприятия необходимо обеспечить устойчивость массива горных пород. Если уровень напряжения слишком низкий, то в массиве горных пород отсутствует трение, консолидирующее породу, и тогда из выработки могут выпадать породные блоки.

Если горное напряжение слишком велико, может произойти обрушение породы вследствие её разрушения. Разрушение может быть вызвано сдвигом или возникновением растягивающего напряжения вокруг области концентрации напряжений.

Разрушение вследствие высокого напряжения может проявляться в разных формах в зависимости от типа породы. Это может быть сдвиг по плоскости напластования, вывалы горной породы, проседание целиков или разрушение ствола под воздействием сил сжатия. Примеры показаны на Рисунке 2.

Определённый уровень напряжения в горных породах может быть необходим при ведении работ тем или иным методом. Например, если добычу ведут методом подэтажного или блочного обрушения, требуется, чтобы порода обрушалась.

Если порода трещиновата, обрушение, вероятно, будет происходить под действием силы тяжести, если только породное напряжение не создаёт слишком большого трения между соответствующими системами трещин.

Если в горной породе отсутствуют трещины или если они расположены в неблагоприятной ориентации для процесса обрушения, то обрушение будет происходить только в том случае, если напряжение породы будет достаточным, чтобы вызвать её разрушение.

В отсутствие этого потребуется либо предварительная обработка горного массива, либо переход на другой метод добычи.
Предварительную обработку породного массива можно осуществить с помощью гидроразрыва или взрывчатых веществ.

Взрывчатые вещества имеют небольшой радиус действия, в то время как трещины при гидроразрыве могут распространяться значительно дальше. Использование гидроразрыва контролируется напряжением в массиве горных пород двумя способами. Во-первых, давление гидроразрыва должно быть достаточным для того, чтобы разрушить породу вокруг скважины, а во-вторых, оно должно иметь определённую направленность.

В однородном массиве горных пород гидроразрыв будет развиваться по нормали к минимальному напряжению. При наличии трещин они могут вобрать в себя гидроразрыв и определить его направление. Это будет зависеть от относительной трудности, с которой трещина разрушает породу и развивается в направлении минимального напряжения по сравнению с тем, которое требуется для продвижения вдоль трещины при более высоком минимальном уровне напряжения.

Необходимо знать уровень напряжения, чтобы определить, можно ли осуществлять операцию обрушения без дополнительных условий и, если требуется предварительная подготовка, также необходимо знать напряжение, чтобы иметь возможность её спроектировать.
При открытой разработке месторождений также требуется понимание напряжённого состояния горных пород. Это помогает решить, подходит ли для проектирования анализ предельного состояния при гравитационной нагрузке.

Однако, если горизонтальные напряжения имеют адекватную величину, может произойти разрушение породы. Например, выемка грунта может снять боковое напряжение на плоскости напластования, и в этой плоскости произойдет сдвиг.

Такое поведение может стать причиной вывала крупных блоков в карьер. Чрезмерное напряжение также может вызвать вспучивание подошвы карьера, и хотя его можно рассматривать как помощь в добычных работах, но оно слишком бесконтрольное.

При таких инцидентах нет выхода руды или породы заданной крупности для удобства транспортировки или обогащения и возникают серьёзные опасения по поводу безопасности персонала.

Также возникают проблемы при проведении буровзрывных работ. В то время как в среднем вертикальное напряжение горных пород определяется гравитационной нагрузкой и линейно увеличивается с глубиной, распределение горизонтальных напряжений обычно намного сложнее.

Примитивная идея о том, что есть какой-то коэффициент, благодаря которому можно увязать горизонтальное и вертикальное напряжения, в целом неверна, и инженеры-геологи должны прекратить исходить из этого предположения. Это неверно! Боковое напряжение в породе в значительной степени зависит от деформации породы.

Если мы деформируем какое-либо твёрдое тело, в нем будет возникать напряжение в зависимости от его механических свойств. Эти механические свойства определяются модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, свойствами пластичности и ограничивающим фактором прочности породы — упругой пластичностью или разрушением.

Рассмотрим простой пример, в котором у нас есть три прутка квадратного сечения, один из стали, один из алюминия и один из дерева. Мы можем склеить их вместе и сжать эту группу в очень жёстких тисках, чтобы все они были напряжены в одинаковой степени.

В результате напряжение в стали будет в три раза выше, чем в алюминии, которое в свою очередь будет выше, чем в дереве. Породы ведут себя аналогичным образом; у них очень разные модули Юнга, под воздействием одинаковой силы деформации жёсткие породы изменяют своё напряжение в гораздо большей степени, чем мягкие породы.

К процессам в массиве горных пород, контролирующим боковое напряжение, относятся вертикальное напряжение и поперечная деформация. В условиях нулевой боковой деформации боковое напряжение является прямой функцией вертикального напряжения и регулируется коэффициентом Пуассона. Однако мало где в земной коре недостаточно развита поперечная деформация.

В глобальном, региональном масштабе поперечная деформация может быть вызвана движением тектонических плит, а в более локальном масштабе она может зависеть от разломов, складчатости и перепадов температуры. Эрозия изменяет вертикальное напряжение и может привести к разрушению породного массива из-за возникновения взбросов или множественных трещин при разгрузке.

Как измерить напряжение в горном массиве?

Напряжение горных пород не является статическим явлением. Оно изменяется вследствие движения и разрушения земной коры. Возможны резкие колебания в направлении основного напряжения из-за снятия напряжения, вызванного движением разлома.

Разломы обычно не происходят как непрерывный процесс; разлом происходит в горном массиве, который подвергается напряжению до такой степени, что он разрушается. Затем нагрузка смещается, и уже другой породный участок будет испытывать большее напряжение.

Оконечности разломов являются зонами концентрации напряжений и могут вызвать проблемы при ведении горных работ. Для анализа распределения напряжений используется концепция локальной тектонической деформации. При этом считается, что собственный вес горной массы соответствует величине вертикального напряжения.

Затем в условиях нулевой боковой деформации можно рассчитать поперечное напряжение горных пород, вызванное действием силы тяжести. Если напряжение замерено, то этот компонент собственного веса в боковом напряжении можно вычесть из общего напряжения, чтобы получить напряжение, вызванное тектонической деформацией. Термин «тектоническая деформация» здесь включает в себя истинную тектоническую деформацию, изгиб складок, воздействие разломов и охлаждения.

Тектоническая деформация часто бывает довольно постоянной, в то время как напряжение значительно изменяется в зависимости от жёсткости породы. При проектировании горного предприятия стоит задача определить, каково на самом деле распределение напряжений.

Для этого требуются измерения. Замеры необходимо провести и там, где будет находиться рудник/шахта, даже если какой-то объём горных работ уже выполнен. Нет смысла измерять напряжение в одном или двух километрах от шахты/рудника, чтобы затем «дисконтировать» эффекты концентрации напряжений, вызванные добычей полезных ископаемых.

Эта концепция равномерного напряжения в дальней зоне обычно не имеет смысла. Существует множество факторов, которые могут изменить напряжения между точкой измерения и шахтой/рудником. Чем сложнее геологическое строение, тем сложнее будет ситуация с распределением напряжений.

Измерение напряжений проводится в скважинах и может быть разделено на две группы. Первая группа предназначена для пород, не подверженных разрушению в скважине. В этом случае исследование стенок скважины не даст информации о напряжении. Стандартная процедура для таких пород — это измерение напряжения методом обуривания.

Обуривание включает в себя бурение пилотного отверстия или выбуривание конического углубления в забое керновой скважины. В него заводится датчик, который измеряет диаметр или изменение значений деформации породы. Затем этот датчик обуривается, в процессе чего измеряется изменчивость диаметра или деформации.

Для того чтобы определить таким образом напряжение, нужно, чтобы порода вела себя упруго, хотя и не обязательно линейно. Для расчёта напряжения используются упругие свойства и изменение диаметра или деформация. Этот процесс может быть выполнен с помощью инструмента, который измеряет изменение диаметра пилотного отверстия.

Прибор для замера напряжений горных пород от Sigra

Для измерения изменения диаметра пилотного отверстия необходимо принять значение осевого напряжения, а затем можно рассчитать величину поперечных наибольшего и второстепенного напряжения.

Этот процесс с использованием инструмента IST2D компании Sigra ведется в комплексе с операцией колонкового (со съёмным керноприёмником) бурения с использованием коронки HQ-3 Boart Longyear (диаметр скважины 96 мм, диаметр керна 60,9 мм).

В этом случае, если скважина вертикальная, принимается, что осевое напряжение в горных породах вызвано гравитационной нагрузкой. Напряжение на глубине 400 м можно измерить за два часа, а на глубине 800 м — за 3,5 часа.

Инструмент показан на Рисунке 1. Если скважина не вертикальна или нет оснований предполагать, что напряжение проходит по оси скважины, то может потребоваться обуривание с использованием трехмерного инструмента.

Этот инструмент имеет коническую форму и вклеивается в коническое углубление в забое керновой скважины. Этот процесс занимает больше времени, поскольку к инструменту IST3D необходимо приклеить тензодатчики.

Таким образом, каждое измерение горного напряжения занимает не менее 12 часов и обычно растягивается на 24 часа, чтобы клей успел схватиться за ночь.

Вторая группа измерений напряжения применяется к породе, в которой стенки скважины подвержены разрушению, как показано на Рисунке 3. Здесь первым показателем напряжения является степень разрушения скважины. Это происходит из-за концентрации напряжения вокруг скважины, под воздействием чего происходит разрушение противоположных стенок скважины при сжатии.

Иногда высокие значения соотношения между наибольшим и наименьшим напряжением приводят к разрушению стенки скважины при растяжении. Разрушение стенки скважины является показателем (высокого значения) соотношения между касательным напряжением на стенке скважины и прочности породы на сжатие в этом направлении. Это прямое указание/индикатор того, можно ли ожидать разрушения породы в прилегающем к выработке породном массиве.

Разрушение стенки скважины не может обеспечить исчерпывающий анализ напряжений вокруг скважины, поскольку напряжение на стенке скважины зависит от сочетания разных факторов: наибольшего и наименьшего напряжения, прочности породы и давления флюида. Это хороший индикатор направления напряжения, и его легко измерить с помощью акустического сканера.

Как правило, для завершения измерения напряжения в горном массиве при разрушении стенки скважины выполняется также гидроразрыв. Обычно для этого в зоне между пакерами нагнетается давление до тех пор, пока не происходит разрыв.

Нагнетание продолжается, разрывная трещина увеличивается, а затем нагнетание прекращается. Когда флюид начинает просачиваться через стенки этой трещины, она смыкается, и по падению давления определяется давление закрытия.

Это давление соответствует величине наименьшего напряжения. Пример анализа гидроразрыва показан на Рисунке 4. Чтобы получить значение наибольшего напряжения при гидроразрыве, требуется повторное раскрытие разрывной трещины, но при этом надо сделать много допущений, которые обычно не оправдываются. К ним относятся линейная упругость породного массива и допущение, что плоскость минимального напряжения проходит через ось скважины.

Также необходимо проявлять большую осторожность, чтобы пакеры, используемые в качестве уплотнений, не оказывали на стенку скважины столь высокого давления, чтобы оно могло бы вызвать её разрушение.

Использование информации о наименьшем напряжении и обрушении стенки скважины — это процесс, наиболее часто используемый в нефтедобывающей промышленности для оценки напряжений. Его также можно с успехом использовать в горнодобывающей отрасли.

Другой вариант гидроразрыва — гидрораспор. Здесь трещину в породе изолируют системой разобщающих пакеров, а затем раскрывают трещину давлением флюида. Напряжение по нормали к трещине определяют, измеряя давление в момент закрытия трещины после того, как закачка флюида прекращается. Часто это единственный вариант для трещиноватых участков.

Во всех случаях измерения напряжения горных пород необходимо интерполировать значение напряжения между точками измерения. В случае использования метода обрушения стенок скважины наблюдение ведется с помощью акустического телесканера. Другой недавно разработанный метод получения почти непрерывной оценки изменения напряжений в горном массиве — это измерение овальности керна.

Для этого требуется колонковое долото, которое не обуривает породу снаружи от керна. После извлечения керн помещается в инструмент, который вращает его и измеряет его диаметр с точностью до микрона. Зная разницу между наибольшим и наименьшим диаметрами керна, можно, используя модуль Юнга и коэффициент Пуассона породы, получить разницу между наибольшим и наименьшим напряжениями, перпендикулярными керну.

Таким образом можно без особых затрат выполнять замеры на каждом метре керна и на основании этого определять, где следует провести следующее обуривание керна. Оборудование для измерения овальности показано на Рисунке 5.

Наконец, так же важно разработать модель распределения напряжений в районе ведения горных работ до их начала, как и смоделировать напряжения, вызванные собственно горными работами. Последнее должно следовать за первым.

Текст: д-р Йен Грей, Sigra Pty Ltd

На правах рекламы

---

sigra.com.au

Перейти на страницу проекта "В помощь шахтеру"